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放高空气球和普通气球有什么不同?

来源:浮空君
发布时间:2021-02-22
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高空气球,已有200年历史,现代又称高空科学气球,是指在临近空间(高度20-100km的空间区域)自由飞行的无动力浮空器。

    国内高空气球研究始于1979年,目的为了给中科院高能天体物理实验研究建立空间运载手段,在著名科学家何泽慧院士大力支持和顾逸东院士具体领导下,于1984年建成了我国唯一的高空科学气球系统,从1991年至今,中科院高能所气球组以及之后联合成立的空天院浮空器中心团队共发放高空气球76次,累计飞行时间超过350小时,创造了最大气球体积60万立方米,最大设计载荷能力1.9吨,最高飞行高度45km,最长持续飞行时间3天的记录,代表了目前国内高空气球技术发展的最高水平。高空科学气球系统可应用于多学科实验研究,包括宇宙线、空间硬X和γ射线天文、红外天文、空间物理、空间生物和遗传等领域,是新型空间设备与仪器在空间环境下进行性能验证的有效手段


2001年40万立方米HAPI-4高空科学气球准备发放

鸿鹄专项是由中科院空天信息创新研究院牵头,20多家中科院系统内外单位参与的中科院A类战略性科技先导专项,旨在将研制重载浮空器、持久驻空超压浮空器、可复用动力浮空器等实验平台,建成我国首个临近空间科学实验系统,开展国际上迄今为止覆盖参量种类最全的临近空间全域综合探测,引领国际临近空间相关科学研究,提升临近空间开发利用能力。其中的重载浮空器就是指高空科学气球。

鸿鹄专项高空气球飞行示意图

选址讲究

高空气球发放场的选址是很有讲究的:

1、发射场的周边地区不应该是人口稠密地区,也不应该有重要的安全或防护设施(例如高压线,风电场,核电站,军事基地……)。

2、交通运输方便,项目涉及到的人员、设备、材料以及氦气应该方便地运送到发放场。

3、在试验期间地面的风力应该比较弱,并且风向改变不大。

4、在气球的水平飞行路径下面不应该有大城市或者重要的设施。

5、必须可以从飞行降落区安全可靠地回收球载设备。

6、不得妨碍空中交通管制。必须远离任何国际边界。

所以发射场一般建立在荒野地区,或者人口密度较低的广阔的农业与畜牧业地区。

风速要小

高空科学气球本身无动力,其运动受风场驱动,对气象条件,尤其是风场的要求非常高。所以气象保障和轨迹预测的工作对于高空科学气球的发放窗口决策至关重要。

发放当天,风速要求尽量小,并且在地面以及300米以下的低空,风向需要相同且稳定(如果地面和低空的风向相反,风就会对气球产生类似于剪刀的剪切效果)。此外,气球需要上升并进入一个称为准零风层的高度,这个高度的风向比较稳定,风速较小,并且在此高度上下存在东西风向的切变。高空科学气球如果要进行长航时的飞行,需要找到准零风层,在此高度驻留,并通过高度调节来寻找需要的风向。但准零风层的高度是随着位置和季节而动态变化的。

某一时期海拔高度与风速关系图

空域限制

空域是指各种航空器运行的空间区域,属于宝贵的国家资源。由于高空科学气球的飞行高度会跨过航线,所以每次飞行都必须申请空域。空域除了空间上的限制,也会有时间上的要求。比如这次空管部门给我们划定了允许飞行的空间范围之后,还要求我们每次飞行都要提前申报,为保障民航航线安全,大部分限定的发放时间都是在夜间,但也出现过万事俱备只欠空域,而最终未获批准的情况。


上海民航空域管制图,橘红是限制区和禁飞区。

看了这张图你就会理解,高空科学气球为什么要选在地广人稀的地方飞行了:大城市里面除了禁飞区,就是航线了,没有给高空气球飞行这种特殊空域的空间了。

负有使命

高空气球可以在临近空间飞行并开展科学与技术研究活动,“身临其境”的原位探测为科学家带来了丰富的一手资料,极大地推动了大气物理、空间天气、宇宙射线和空间生物等学科的观测研究。比如这一次在青海海西州德令哈市大柴旦镇发放的高科科学气球,有四大类科学目标,分别是平流层长航时原位大气观测;临近空间模拟陨石抛投试验;临近空间地磁暴探测试验;临近空间生物暴露试验。

平流层长航时原位大气观测试验将获取多参量观测数据,研究青藏高原上空大气动力、化学、辐射等关键参数的分布特征和短期变化规律,理解物质进入平流层的扩散过程及化学转化过程及对全球气候与环境的影响,尤其是在人类活动排放的大气污染物以及生态环境固碳效应对气候变化的强迫作用方面将取得重大科学突破。

临近空间模拟陨石抛投试验在8km以上高度进行模拟陨石投放,进行临近空间环境生物存活探查分析,通过对陨石落地时产生的冲击对于陨石中携带生命的影响进行分析研究,探究生命体通过陨石进行行星际传输的可能性。

临近空间地磁暴探测试验通过原位探测太阳冕洞爆发引发的地磁暴现象,研究空间天气对人类空间活动的影响。太阳上出现的耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动,给地球磁层,电离层和中高层大气,卫星运行和安全,以及人类健康,带来严重影响和危害,这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。通过此项研究,将有助于我们准确地预测空间天气现象并及时采取适当措施降低其危害。

临近空间生物暴露试验主要开展临近空间大气环境对代表性模式生物的影响研究,研究生物暴露效应及其与临近空间紫外辐射关联,为研究生物适应临近空间极端环境提供重要支撑,同时测量平流层气体成分以及同位素、电波散射效应,为临近空间生物样品所处的极端环境提供定量评价标准。

作者简介:

黄宛宁,中国科学院空天信息创新研究院浮空器系统研究发展中心高级工程师,主要从事浮空器遥测遥控和载荷应用等研究工作。

知识点问答
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高空气球,已有()年历史。
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