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(chuàng)新研究院研制的浮空艇創(chuàng)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(shè)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(qū)大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關(guān)鍵科學數(shù)據(jù)。“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(shù)？可以應(yīng)用在哪些方面呢？
古老航空器 迎來新發(fā)展
(資料圖)
在科研人員眼中，“浮空艇”有一個更為嚴謹專業(yè)的名字——系留氣球。按照特性及大類區(qū)分，系留氣球?qū)儆诟】掌鞯囊环N。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(nèi)部充入氫氣或氦氣的氣球就是一種浮空器，但科學上應(yīng)用的浮空器卻不是這么簡單。
浮空器是指內(nèi)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(chǎn)生的靜升力克服自身重力升空?？傮w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(shè)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(chuàng)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(tǒng)。
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(xiàn)的時間比飛機要早很多，隨著飛機技術(shù)的不斷發(fā)展，浮空器因為技術(shù)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(yōu)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(shù)，等待它的再次蝶變。
隨著時代進步，浮空器相關(guān)領(lǐng)域的各項科學技術(shù)蓬勃發(fā)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(fā)展的“快車道”?？梢哉f，此次“極目一號”Ⅲ型浮空艇創(chuàng)造系留浮空器的升空觀測高度世界紀錄，是浮空器事業(yè)發(fā)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(tǒng)，要如何保證它的正常運轉(zhuǎn)？背后蘊藏著哪些先進技術(shù)和智慧結(jié)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(huán)境條件，對浮空艇全系統(tǒng)的升空科學觀測提出了巨大的挑戰(zhàn)，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(tǒng)按功能區(qū)分，可以分為球體分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、地面錨泊分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)。五個分系統(tǒng)緊密協(xié)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(tǒng)，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(jīng)過精密計算得出的優(yōu)化尺寸，為了將既定的多種大質(zhì)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(xiàn)白色。白色可以反射光線、減少紫外線的吸收，使浮空艇內(nèi)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(fā)的輕質(zhì)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(nèi)部氣體泄漏，極大地增加了浮空艇的使用壽命與復用次數(shù)。
“鯨”是指浮空艇的外形。設(shè)計人員參考鯨魚生物外形采用了仿生學設(shè)計，整體呈流線型，這樣做的目的是尋求一個小風阻和高穩(wěn)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(nèi)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(huán)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(diào)節(jié)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(tǒng)，是“大白鯨”的“千里眼”“順風耳”。獲取浮空艇的實時狀態(tài)與信息，控制整個浮空艇系統(tǒng)完成科學觀測，需要用到相關(guān)的測控設(shè)備，以實時獲取不同高度剖面的風速、氣溫、濕度等環(huán)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(guān)鍵信息，讓研究人員可以實時判斷浮空艇的正常狀態(tài)，輔助地面指揮決策。
供配電分系統(tǒng)，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(shè)備，負責為整個浮空艇系統(tǒng)提供能源支持，同時滿足不同設(shè)備、儀器、傳感器的不同功率/電壓要求，可實現(xiàn)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(xù)支持著整個浮空艇系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。
地面錨泊分系統(tǒng)，是“大白鯨”的“五指山”。地面錨泊分系統(tǒng)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(cè)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(cè)連接艇體主承力結(jié)構(gòu)件，纜的另一側(cè)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(nèi)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(wèi)系統(tǒng)安全。此外，還可根據(jù)需要，在系纜中布置光纖，通過光纖傳輸實時通信數(shù)據(jù)。對地面錨泊車進行操作，完成系纜的收放，即可實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tài)。
載荷分系統(tǒng)，是“大白鯨”上的“多面手”。浮空艇平臺系統(tǒng)本身對載荷并無限制，可以搭載各種類型的載荷設(shè)備。在本次珠峰科考中，浮空艇搭載水汽穩(wěn)定同位素分析儀、黑碳、甲烷、臭氧等多種分析儀器與設(shè)備，獲取了第一手珠峰地區(qū)大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關(guān)鍵科學數(shù)據(jù)。
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(chuàng)新研究院（以下簡稱“空天院”）浮空器團隊研發(fā)的系留氣球（浮空艇）曾在可可西里西區(qū)觀測藏羚羊等野生動物活動；曾在內(nèi)蒙古地區(qū)開展草畜資源狀態(tài)監(jiān)測，為草畜平衡模型構(gòu)建，創(chuàng)建生態(tài)草牧業(yè)科技體系提供平臺支持；曾在東海海域開展“智慧海洋”應(yīng)急通信試驗網(wǎng)絡(luò)項目船載系統(tǒng)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(yōu)點和廣闊的應(yīng)用潛力?？仗煸焊】掌鲌F隊深耕系留氣球（浮空艇）領(lǐng)域數(shù)十年，發(fā)展至今，形成了從小到大全規(guī)格、系列化、矩陣式的系留氣球產(chǎn)品。
首先，系留氣球根據(jù)實際需要，升空高度可從幾十米到數(shù)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(shù)據(jù)。
其次，可攜帶較大總質(zhì)量載荷（從幾十千克至噸級載荷），在目標高度實現(xiàn)長時間駐留（在氣象及空域允許的情況下，可實現(xiàn)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(yīng)用平臺。
再次，系留氣球可以實現(xiàn)原位測量，無污染，一次充氣后可實現(xiàn)循環(huán)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(shù)少，具有綠色、經(jīng)濟、可復用、易于維護操作的優(yōu)點，是綠色經(jīng)濟的無人長時駐空平臺。
應(yīng)該說，系留氣球是一個基礎(chǔ)的平臺服務(wù)，它能發(fā)揮多大的作用，更取決于載荷的功能應(yīng)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(yīng)用在了科學觀測、應(yīng)急通信、草原生態(tài)與畜牧平衡觀測、海洋中繼通信、對地觀測及低空防務(wù)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(shè)計上對應(yīng)用地理區(qū)域進行針對性優(yōu)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(qū)域開展過科學試驗與示范應(yīng)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(jiān)測、防務(wù)監(jiān)視、應(yīng)急通信、中繼通信、雷達探測、城市及鄉(xiāng)村觀測、科學考察等廣闊的應(yīng)用領(lǐng)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，分別系中科院空天院高級工程師，高級工程師，研究實習員）
