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                    作者:何澤青 喬濤 陳其 來源:光明日報 發布時間:2022-6-23 8:18:52
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                    浮空艇:空中“大白鯨”,科考新平臺

                     

                    在第二次青藏高原綜合科學考察中,由中國科學院空天信息創新研究院研制的浮空艇創造了多項科考紀錄,吸引了公眾的視線——“極目一號”Ⅲ型浮空艇平臺搭載眾多科考儀器及設備,分別于5月15日4時40分、5月21日5時09分,升空高度兩次超過世界最高峰珠穆朗瑪峰,分別到達海拔9032米、海拔9050米,打破同類型浮空器的升空觀測高度世界紀錄,獲得了珠峰地區大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關鍵科學數據。“極目一號”Ⅲ型浮空艇體積巨大,從外表看來形似“大白鯨”。如此大型的科學考驗研究平臺,科研人員是如何科學馴“鯨”的?浮空艇平臺包含哪些先進技術?可以應用在哪些方面呢?

                    古老航空器 迎來新發展

                    在科研人員眼中,“浮空艇”有一個更為嚴謹專業的名字——系留氣球。按照特性及大類區分,系留氣球屬于浮空器的一種。對公眾而言,浮空器可能是一個既熟悉又陌生的詞語——其實,內部充入氫氣或氦氣的氣球就是一種浮空器,但科學上應用的浮空器卻不是這么簡單。

                    浮空器是指內部充入(含有)的氣體比重低于空氣的航空器,其升空原理是依靠輕于空氣的氣體浮力產生的靜升力克服自身重力升空。總體上,浮空器可分為氣球和飛艇兩類。氣球是指無動力裝置的浮空器,可分為自由氣球和系留氣球。自由氣球隨風飛翔,系留氣球利用纜繩系留固定在地面錨泊設施上。飛艇是自帶動力裝置,可進行操縱飛行的浮空器,按浮空高度可分為中低空飛艇和平流層飛艇。在青藏高原創造觀測高度世界紀錄的“極目一號”Ⅲ型浮空艇平臺屬于一種大型的系留氣球平臺系統。

                    浮空器是一種古老的航空器,是人類想要翱翔天空、征服藍天最早使用的航空器。氣球、飛艇出現的時間比飛機要早很多,隨著飛機技術的不斷發展,浮空器因為技術因素和時代因素等種種原因,一度逐漸消失在了大眾的視野里。

                    但浮空器具有大載重、駐空時間長、易于布置、控制和操作成本低等明顯優勢,是其他航空器所不具備或不可比擬的。因此,部分科學家一直在潛心研究、積累技術,等待它的再次蝶變。

                    隨著時代進步,浮空器相關領域的各項科學技術蓬勃發展,賦予了浮空器新的活力,對浮空器的研究又進入了新時代發展的“快車道”。可以說,此次“極目一號”Ⅲ型浮空艇創造系留浮空器的升空觀測高度世界紀錄,是浮空器事業發展的又一里程碑。

                    新型浮空艇上的硬核科技

                    “極目一號”Ⅲ型浮空艇給人的第一印象就是大。如此大的系統,要如何保證它的正常運轉?背后蘊藏著哪些先進技術和智慧結晶?海拔9000米高度處于對流層上部,高風速、低溫、低氣壓、復雜電磁場的極端環境條件,對浮空艇全系統的升空科學觀測提出了巨大的挑戰,科研人員如何一一克服?

                    解決這些問題,科學家和工程師們有高招。

                    將“極目一號”Ⅲ型浮空艇(系留氣球)系統按功能區分,可以分為球體分系統、測控分系統、供配電分系統、地面錨泊分系統以及載荷分系統。五個分系統緊密協作,共同保障浮空艇的升空科考觀測的正常運行。

                    球體分系統,就是我們說的“大白鯨”。浮空艇形似“大白鯨”,“大”是指此次浮空艇的巨大尺寸——55米長,體積為9060立方米。這么巨大的體型是經過精密計算得出的優化尺寸,為了將既定的多種大質量載荷從地面攜帶至海拔9000米的對流層上部。

                    “白”是指浮空艇整體外形呈現白色。白色可以反射光線、減少紫外線的吸收,使浮空艇內部氣體升溫不會過快。此外,浮空艇的囊體材料隱藏著眾多“黑科技”,它是一種由我國自主研發的輕質低密度低滲高強抗輻射復合織物材料,復合織物材料可以對整個浮空艇進行有效保護與支撐,阻擋外部雨雪風沙的同時,也可減少內部氣體泄漏,極大地增加了浮空艇的使用壽命與復用次數。

                    “鯨”是指浮空艇的外形。設計人員參考鯨魚生物外形采用了仿生學設計,整體呈流線型,這樣做的目的是尋求一個小風阻和高穩定性二者平衡的氣動外形,在浮空艇升空過程中減小空氣阻力的擾動與影響。此外,和鯨魚用肺呼吸相似,浮空艇內部由兩個氣囊組成,分別填充氦氣與空氣,氦氣囊負責提供升力,而空氣囊則起著“肺”的作用,在浮空艇的升降過程中保持浮空艇的外形與壓力平衡。在浮空艇升空過程時,環境壓力和溫度都在不斷降低,需要通過風機閥門等元器件調節空氣囊,進行頻繁的排氣,浮空艇的降落則是此過程的逆過程,會對空氣囊進行頻繁的打氣,升降過程恰似肺在不停呼出與吸入的過程。

                    測控分系統,是“大白鯨”的“千里眼”“順風耳”。獲取浮空艇的實時狀態與信息,控制整個浮空艇系統完成科學觀測,需要用到相關的測控設備,以實時獲取不同高度剖面的風速、氣溫、濕度等環境信息,獲取浮空艇的升空高度、升速、壓力、俯仰角、系纜拉力等關鍵信息,讓研究人員可以實時判斷浮空艇的正常狀態,輔助地面指揮決策。

                    供配電分系統,是“大白鯨”的“定海神針”。浮空艇上載有能源艙,里面包含了可耐低溫低氣壓的高壓鋰電池組、能源管理器及配電器等設備,負責為整個浮空艇系統提供能源支持,同時滿足不同設備、儀器、傳感器的不同功率/電壓要求,可實現升空觀測鋰電池組供電、地面錨泊時地面高壓供電的雙模式供電無縫切換,能源供給也如同定海神針一般,持續支持著整個浮空艇系統的運轉。

                    地面錨泊分系統,是“大白鯨”的“五指山”。地面錨泊分系統主要由特種錨泊車及特種系纜組成。錨泊車通過鼻塔及兩個側臂對浮空艇完成三點約束,使浮空艇可以在地面停泊。特種系纜一側連接艇體主承力結構件,纜的另一側連接至地面特種錨泊車輛容纜滾筒,特種系纜除了承力作用,內部還布置有細電纜,用于將浮空艇升空過程中靜電接地釋放,保衛系統安全。此外,還可根據需要,在系纜中布置光纖,通過光纖傳輸實時通信數據。對地面錨泊車進行操作,完成系纜的收放,即可實現浮空艇的升空及下降過程。浮空艇在地面錨泊時,浮空艇及錨泊車輛上的平臺可以隨風向變化而轉動,使浮空艇的艇首及錨泊車鼻塔總是處于迎風的小風阻狀態。

                    載荷分系統,是“大白鯨”上的“多面手”。浮空艇平臺系統本身對載荷并無限制,可以搭載各種類型的載荷設備。在本次珠峰科考中,浮空艇搭載水汽穩定同位素分析儀、黑碳、甲烷、臭氧等多種分析儀器與設備,獲取了第一手珠峰地區大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關鍵科學數據。

                    浮空艇“家族”能滿足科學觀測的不同需求

                    不僅在珠峰,浮空艇家族活躍在很多科研項目中:由中國科學院空天信息創新研究院(以下簡稱“空天院”)浮空器團隊研發的系留氣球(浮空艇)曾在可可西里西區觀測藏羚羊等野生動物活動;曾在內蒙古地區開展草畜資源狀態監測,為草畜平衡模型構建,創建生態草牧業科技體系提供平臺支持;曾在東海海域開展“智慧海洋”應急通信試驗網絡項目船載系統的綜合集成演示驗證等,都取得了良好的效果。

                    浮空艇作為理想的科學觀測平臺,擁有眾多優點和廣闊的應用潛力。空天院浮空器團隊深耕系留氣球(浮空艇)領域數十年,發展至今,形成了從小到大全規格、系列化、矩陣式的系留氣球產品。

                    首先,系留氣球根據實際需要,升空高度可從幾十米到數公里,覆蓋范圍非常廣泛,且在升降過程中,可以實時采集獲取不同高度剖面的數據。

                    其次,可攜帶較大總質量載荷(從幾十千克至噸級載荷),在目標高度實現長時間駐留(在氣象及空域允許的情況下,可實現以天乃至月計的駐留觀測),抗風能力強,對雨雪天氣敏感度小,對載荷限制極小,是絕佳的大載重長駐空的觀測科考及應用平臺。

                    再次,系留氣球可以實現原位測量,無污染,一次充氣后可實現循環復用,效費比(效果和費用的比值)高,地面配套及控制需要人數少,具有綠色、經濟、可復用、易于維護操作的優點,是綠色經濟的無人長時駐空平臺。

                    應該說,系留氣球是一個基礎的平臺服務,它能發揮多大的作用,更取決于載荷的功能應用和平臺-載荷的配合能力,空天院自研的系留氣球平臺,搭載不同載荷,已成功應用在了科學觀測、應急通信、草原生態與畜牧平衡觀測、海洋中繼通信、對地觀測及低空防務等典型場景中。

                    如今,空天院團隊研制的系留氣球平臺,從在通用性設計上對應用地理區域進行針對性優化,已在城市、平原、高原、草原、沙漠、海洋、島礁等多種典型地理區域開展過科學試驗與示范應用,取得了突出的試驗成果與亮眼的科考成績在對地觀測、氣象探測、災害監測、防務監視、應急通信、中繼通信、雷達探測、城市及鄉村觀測、科學考察等廣闊的應用領域,系留氣球平臺已初露崢嶸,未來可期。

                    (作者:何澤青、喬濤、陳其,分別系科院空天院高級工程師,高級工程師,研究實習員)

                     
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