張 望 劉丹林 易依林

臨近空間探空氣球材料與技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南 株洲 412000

1 前言

平流層處在對(duì)流層與中間層之間,是距地表大約18～50k m 的高度范圍。平流層大氣空氣稀薄,該環(huán)境的電離、臭氧、污染物、輻射和動(dòng)力學(xué)過程與人類生存和發(fā)展以及航空、航天、軍事等應(yīng)用密切相關(guān)。平流層大氣資料是大氣物理、空間環(huán)境研究和應(yīng)用物理學(xué)研究所不可缺少的數(shù)據(jù)來(lái)源。近年來(lái),隨著人類對(duì)平流層科學(xué)研究任務(wù)的增多,采用探空氣球攜帶專業(yè)儀器對(duì)平流層的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)、樣品采集等科研活動(dòng)也呈上升趨勢(shì)。當(dāng)完成任務(wù)后,探空氣球的科學(xué)載荷艙通過降落傘從平流層降落到地面后被回收。通過回收,科研人員可以很容易地獲取大量觀測(cè)數(shù)據(jù),而不需要通過無(wú)線傳輸。有些設(shè)備回收后,還可以應(yīng)用于其他的飛行試驗(yàn),這樣可以降低飛行試驗(yàn)的成本。

2 回收載荷艙所需要的裝備

要回收探空氣球高空探測(cè)任務(wù)后的科學(xué)儀器載荷艙,根據(jù)任務(wù)的不同,要選用合適的探空氣球,同時(shí)需要準(zhǔn)備足夠牢固的繩子、降落傘及定位設(shè)備等裝置。

2.1 探空氣球 氣球技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,能夠以相對(duì)較低的成本搭載大質(zhì)量的載荷。目前探空氣球大體分為兩種：一種為聚乙烯材質(zhì)焊接而成的塑料高空氣球。2013年日本宇宙航空研究所新開發(fā)的“BS13-08”聚乙烯薄膜氣球升空高度達(dá)到53.7k m,刷新了氣球升空最高紀(jì)錄。美國(guó)谷歌公司提供應(yīng)急通訊及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“Projiect Loon”氣球也是采用此類材質(zhì)制成。這種氣球直徑大,同時(shí)具有較大的載荷能力,可以載荷幾百公斤甚至一噸的儀器升空到一定高度進(jìn)行科學(xué)活動(dòng),但其制造及施放費(fèi)用高昂、操作復(fù)雜、技術(shù)要求高、場(chǎng)地受限;第二種為使用天然橡膠或氯丁橡膠制成的探空氣球,這種氣球有較大的膨脹余量,通常用于氣象部門將探空儀帶到高空進(jìn)行溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素測(cè)量,是人類研究平流層的重要工具,在氣象學(xué)發(fā)展和天氣預(yù)報(bào)工作中起到了重要作用。中國(guó)化工株洲橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)的750克～6000克的系列規(guī)格探空氣球,能夠攜帶探空儀飛行到30k m～45k m 的高度進(jìn)行氣象要素的探測(cè),同時(shí)設(shè)計(jì)了在同一高度范圍漂浮的氣球,以滿足各種任務(wù)的需求。這種探空氣球載荷相對(duì)較小,一般載荷量在1～15公斤范圍內(nèi)。該類氣球施放費(fèi)用相對(duì)較低,場(chǎng)地受限小,技術(shù)成熟,可用于載荷量較小的探空任務(wù)。

由于探空氣球是采用灌充氫氣或氦氣產(chǎn)生的浮力差進(jìn)行升空飛行,升空后無(wú)法自己驅(qū)動(dòng)飛行到想要的目的地,所以不論采用上述哪種探空氣球攜帶載荷艙進(jìn)行升空探測(cè)任務(wù),其回收流程及方法基本是一致的。

2.2 定位裝置 定位裝置是載荷艙能否成功回收的關(guān)鍵設(shè)備,如果無(wú)法準(zhǔn)確的標(biāo)定地理坐標(biāo),那么放飛的氣球注定就是踏上了一趟單程航線。目前定位的裝備及技術(shù)比較多,這里介紹四種定位方法供參考：

1)GPS/BD探測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由探空儀和地面接收處理系統(tǒng)組成。使用時(shí)氣球攜帶探空儀升空,探空儀上的GPS/BD定位模塊實(shí)時(shí)確定探空儀位置信息,經(jīng)發(fā)射機(jī)發(fā)送到地面接收分系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理軟件處理后得到氣球的坐標(biāo)位置。該系統(tǒng)可跟蹤范圍水平距離約500公里,高度50公里,定位精度10米內(nèi)。缺點(diǎn)為：整套系統(tǒng)購(gòu)置費(fèi)用較高,隨著距離的增加及高度的降低,地面接收天線仰角不斷降低,受地面觀測(cè)場(chǎng)地遮擋物對(duì)信號(hào)的阻擋及雜波的干擾,探空儀會(huì)在幾千米高度(視跟蹤距離及觀測(cè)環(huán)境)丟失信號(hào)。而在這個(gè)高度,隨風(fēng)向風(fēng)速的變化,載荷艙的實(shí)際落點(diǎn)與信號(hào)丟失前的位置會(huì)有巨大的差異,增加搜尋難度,只能用于輔助跟蹤。

2)APRS無(wú)線電定位系統(tǒng)：APRS(Automatic Position Reporting System)是一種自動(dòng)位置報(bào)告系統(tǒng),通過GPS或其他方式獲得當(dāng)前坐標(biāo),然后調(diào)制成音頻編碼,使用業(yè)余無(wú)線電頻率進(jìn)行廣播發(fā)射。接收設(shè)備再通過解調(diào),將音頻編碼中的坐標(biāo)信息還原,就可以得到跟蹤設(shè)備的位置和軌跡。此種定位方法定位距離及高度有限,要獲得遠(yuǎn)距離的無(wú)線電波就必須使用較大功率的發(fā)射芯片與天線,同時(shí)較為費(fèi)電,這樣就會(huì)增加氣球的載荷,這樣我們是不愿意看到的。另外,使用的民用無(wú)線電臺(tái)要通過相關(guān)部門的審核與備案。

3)GPS/BD定位追蹤器：GPS/BD定位追蹤器是利用GSM 手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò),將跟蹤器中的衛(wèi)星或基站定位坐標(biāo)通過短信的形式發(fā)回到指定手機(jī)。這種定位跟蹤器已商品化,技術(shù)成熟可靠,價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)。只是在應(yīng)用時(shí)要依賴移動(dòng)通訊服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,如果落點(diǎn)在偏遠(yuǎn)地區(qū),荒漠、海洋地域時(shí)將有沒有信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。

4)銥星定位器：銥星定位器是基于銥衛(wèi)星移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò),具有SBD短數(shù)據(jù)傳輸能力的衛(wèi)星通信設(shè)備。借助銥星SBD短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),終端可在全球范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全雙工、透明的數(shù)據(jù)傳輸和定位跟蹤服務(wù)。銥星定位器服務(wù)的開通費(fèi)用大概在伍佰元左右,同時(shí)服務(wù)使用按數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)數(shù)進(jìn)行收取費(fèi)用或者采用包月形式進(jìn)行費(fèi)用收取。銥星定位器最大的特點(diǎn)是基于衛(wèi)星的通信,不受時(shí)間地域的限制,可以在全球任何地方進(jìn)行定位跟蹤服務(wù)。

我們可以根據(jù)探空氣球載荷艙回收任務(wù)的性質(zhì)及經(jīng)費(fèi)預(yù)算,選擇合適的定位裝置。由于探空氣球升空后,會(huì)經(jīng)歷低溫區(qū)域,最低溫度可達(dá)-80℃。因此在選擇使用定位裝置時(shí),應(yīng)經(jīng)量選擇可靠性好的裝備,同時(shí)建議采用兩種定位裝置以上,防止裝置升空過程當(dāng)中出現(xiàn)意外失靈的情況,造成無(wú)法定位落點(diǎn),導(dǎo)致載荷艙的回收失敗。

2.3 降落傘 探空氣球載荷艙能夠安全,平穩(wěn)、有效的回收,降落傘是必不可少的重要裝備。探空氣球攜帶載荷艙通?？梢陨盏胶０?0～40公里的高度,當(dāng)氣球上升至破裂或釋放機(jī)構(gòu)打開,載荷艙在重力加速度的影響下,在落地時(shí)將產(chǎn)出巨大的的沖擊力,對(duì)地面人員、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的隱患,同時(shí)如此的大的沖擊力載荷艙也將粉身碎骨。載荷艙到底需要多大的傘,可以用下面這個(gè)公式來(lái)計(jì)算,假設(shè)載荷艙重1.8公斤,降落速度設(shè)計(jì)為4米/秒：

式中：D為傘直徑;m 為載荷艙重量;g為重力加速度;π常數(shù);

ρ為空氣密度;Cd為風(fēng)阻系數(shù);v為與空氣相對(duì)速度

因此我們可以得出降落傘面積為A＝＝0.75 m2

資料顯示傘兵的降落傘下降最大速度是小于7米/秒,無(wú)人機(jī)傘降回收的速度也差不多是這樣的,因此只要下降速度小于7米/秒,就能保證載荷艙的安全,同時(shí)載荷艙下落速度稍快點(diǎn),意味著飄落的距離短一些,有利于搜索回收的開展。

3 載荷艙落點(diǎn)預(yù)測(cè)

對(duì)載荷艙落點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè),能夠指引我們提前抵達(dá)落點(diǎn)附近,及時(shí)開展載荷艙的搜尋回收任務(wù)。否則載荷艙存在會(huì)被其他人撿走的風(fēng)險(xiǎn),或者掉落的地點(diǎn)地形復(fù)雜,難以抵達(dá),導(dǎo)致定位裝置電量耗盡都不能到達(dá)落點(diǎn),導(dǎo)致無(wú)法回收載荷艙。探空氣球升空后不能控制方向,只能隨風(fēng)飄蕩,高空風(fēng)向風(fēng)速多變,我們可以根據(jù)氣象局高空探測(cè)站的風(fēng)流數(shù)據(jù)進(jìn)行大概落點(diǎn)預(yù)測(cè)。目前全球高空風(fēng)的數(shù)據(jù)來(lái)自各個(gè)國(guó)家高空探測(cè)氣象站01時(shí),07時(shí)、19時(shí)施放氣象氣球探空的交換數(shù)據(jù)探測(cè)得來(lái)的。對(duì)非專業(yè)人士來(lái)說,要通過這些數(shù)據(jù)對(duì)落點(diǎn)的分析預(yù)測(cè)是比較困難的。我們可以利用劍橋大學(xué)太空飛行實(shí)驗(yàn)室的預(yù)測(cè)工具：http：//predict.habhub.org/,該工具基于對(duì)全球大氣環(huán)流的分析,能夠預(yù)測(cè)任意地點(diǎn)的氣球放飛軌跡。只要在填入地點(diǎn),海拔,時(shí)間,同時(shí)輸入氣球尺寸和載荷質(zhì)量和降落傘下降速率等參數(shù),就能預(yù)測(cè)氣球的飛行軌跡,并預(yù)測(cè)氣球會(huì)大約在何時(shí)何處爆炸,以及最終的大致落點(diǎn)。

4 必要的試驗(yàn)

高空與地面最大的差異除了大氣稀薄以外,就是溫度的不同。隨著海拔的升高,高空的溫度不斷降低,在對(duì)流層頂附近能達(dá)到-80℃的極值。雖然氣球穿過對(duì)流層頂后,溫度會(huì)緩慢回升,但通常也一直處于-30～50℃之間。在如此低溫下載荷艙內(nèi)儀器及定位裝置的電子系統(tǒng)可能遇到各種難以預(yù)料的問題,導(dǎo)致設(shè)備的罷工。低溫同時(shí)會(huì)造成電池容量的降低,請(qǐng)不要使用干電池,一般電子產(chǎn)品使用的鋰離子電池就可以適應(yīng)低溫環(huán)境。結(jié)合攜帶的電子設(shè)備,要搭配適量的電池組滿足電源需求。

我們可以將所需的設(shè)備裝在吊艙中,固定好設(shè)備位置,防止升空及落地時(shí)搖晃滾動(dòng)脫落。定位裝置安放在放在靈敏的地方,因?yàn)槿魏挝锲范加锌赡苡绊慓PS/BD衛(wèi)星信號(hào)。放入-40℃低溫箱中進(jìn)行模擬高空低溫適應(yīng)實(shí)驗(yàn)。常見的聚苯乙烯泡沫箱就是很好的包裝材料,泡沫箱的壁厚不能太薄,推薦厚度為20～30 mm,可以同時(shí)滿足了密封和保溫的需求。通過低溫實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)所需要的設(shè)備是否能在低溫環(huán)境下正常工作,電池電量是否滿足探測(cè)任務(wù)時(shí)間需求。

我們還要對(duì)降落傘模擬負(fù)載的降速進(jìn)行測(cè)試,使載荷艙處于安全降速之內(nèi),同時(shí)可以給落點(diǎn)預(yù)測(cè)提供下落數(shù)據(jù)參數(shù)。

5 模擬回收實(shí)例

經(jīng)過前期設(shè)備采購(gòu)及測(cè)試準(zhǔn)備工作,我們團(tuán)隊(duì)于2018年8月底,在湖南株洲施放了一個(gè)探空氣球并成功的進(jìn)行了回收。

5.1 回收設(shè)計(jì)構(gòu)想

5.1.1 載荷艙通常用繩子連接在探空氣球下方升空探測(cè),本次回收主要驗(yàn)證是否能夠成功回收到降落的氣球殘骸,我們用定位追蹤器及探空儀替代載荷艙進(jìn)行升空回收。

5.1.2 為了增加回收難度及驗(yàn)證電池的續(xù)航能力,增加氣球飛行的時(shí)間、升空高度及漂飛的距離,適當(dāng)?shù)臏p少了探空氣球的充氣量,讓氣球以3米/秒的升速進(jìn)行升空。

5.1.3 為了增加回收目標(biāo)的辨識(shí)度,準(zhǔn)備了30×500c m 的紅色綢布綁在降落傘下方,便于搜索目標(biāo)時(shí)更容易尋獲。

5.2 設(shè)備材料準(zhǔn)備 華一750克探空氣球一個(gè);BJ-400探空系統(tǒng)一套;T131GPS/BD定位追蹤器一個(gè);降落傘一個(gè);預(yù)付費(fèi)中國(guó)移動(dòng)SIM 卡一張;紅綢帶一條;2 mm 棉繩一根;氫氣一瓶;充氣薄膜墊一張;減壓閥充氣管一套;膠帶紙、氣泡膜、泡沫箱若干。

5.3 氣球放飛回收流程

5.3.1 氣球充氣 我們這次使用的華一牌750克探空氣象氣球是氣象部門用于氣象要素探測(cè)的探空氣球,由天然橡膠適量添加配合劑加工而成,通常能夠飛行到30k m 的高空。由于球膜很薄,操作時(shí)需帶上橡膠手套,不要?jiǎng)幉淝蚱し乐箤?duì)氣球造成損害,影響升空高度。氣球不能直接放在地上,需要放在鋪好干凈光滑的薄膜上進(jìn)行充氣。灌充的氣體為氫氣,由于其化學(xué)成分較為活躍,容易被靜電放電點(diǎn)燃爆炸,具有一定的危險(xiǎn)性,非專業(yè)操作人員建議使用惰性氣體氦氣,氦氣除了價(jià)格昂貴外,幾乎不會(huì)發(fā)生任何危險(xiǎn)。

探空氣球規(guī)格越大,充氣量相對(duì)越少,升空的海拔就會(huì)越高,升速也較慢,充氣過多則反之。750克探空氣球在氣象業(yè)務(wù)中通常灌充凈舉力為1500克,平均升速大約為6米/秒。本次實(shí)驗(yàn)中,為了增加回收難度,特意將凈舉力調(diào)整到500克,控制平均升速在3米/秒左右,以增加升空時(shí)間和升空高度獲得更遠(yuǎn)的飄飛距離。

5.3.2 降落傘及儀器的綁定 充氣的同時(shí)我們將降落傘及儀器設(shè)備通過放球繩進(jìn)行綁定。放球繩長(zhǎng)度最好不短于30米,合適的長(zhǎng)度可以減少高空風(fēng)對(duì)儀器設(shè)備的造成的擺幅,提高儀器設(shè)備的升空穩(wěn)定性。降落傘的連接越簡(jiǎn)單越好,可靠性也高,用單根放球繩綁住降落傘的頂端,另一端連接探空氣球柄部位置。同時(shí)將低溫測(cè)試過的探空儀,GPS/BD 追蹤器進(jìn)行通電,再次確認(rèn)是否工作正常,沒有問題后將儀器設(shè)備綁定在降落傘下放球繩的尾端,同時(shí)綁上紅綢帶增加目標(biāo)辨識(shí)度。

5.3.3 氣球施放 當(dāng)氣球灌充好,儀器設(shè)備檢查完畢后可將降落傘上端放球繩與氣球柄部連接好,施放時(shí)選擇氣象條件良好,無(wú)風(fēng)的時(shí)機(jī)進(jìn)行施放,施放地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離人口稠密地區(qū)、大型機(jī)場(chǎng)附近。

5.3.4 落點(diǎn)預(yù)測(cè) 氣球升空后,立即使用探空氣球落點(diǎn)預(yù)測(cè)工具進(jìn)行落點(diǎn)預(yù)測(cè),并立即驅(qū)車趕往預(yù)測(cè)落點(diǎn)附近,進(jìn)行回收任務(wù)。

5.4 過程概況 8月31日,早上07時(shí)我們?cè)诤鲜≈曛奘惺┓帕艘粋€(gè)攜帶探空儀及定位追蹤器的探空氣球,通過軌跡預(yù)測(cè)落點(diǎn)位于距株洲以西130公里的漣源市附近。我們搜索隊(duì)立即驅(qū)車趕往漣源市附近等待回收。氣球以平均3.5米/秒的升速,飛行到海拔35379米的高度后破裂,探測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控到探空儀以平均13米/秒的降速下落,24分鐘后在海拔16602米的高度失去信號(hào)。由于高空無(wú)移動(dòng)通訊信號(hào),也無(wú)法通過GPS/BD 追蹤器來(lái)定位坐標(biāo)位置,我們只能祈禱追蹤器落地后發(fā)回坐標(biāo)位置。10時(shí)左右,GPS/BD追蹤器落地后,以短信的方式發(fā)回了坐標(biāo)位置,落點(diǎn)實(shí)際位置離預(yù)測(cè)地點(diǎn)相距27公里,搜索隊(duì)立即前往,于11時(shí)在一片密林中成功找回降落的儀器設(shè)備。回收后的探空儀、追蹤器經(jīng)測(cè)試均能正常使用,探空儀一萬(wàn)六千米信號(hào)丟失的原因?yàn)殡姵爻霈F(xiàn)故障引起的,降速過快是由于用于增加辨識(shí)的紅綢帶只固定了一端,在隨風(fēng)擺動(dòng)下將降落傘纏繞未能完全打開所致。

6 總結(jié)分析及改進(jìn)

6.1 總結(jié)

6.1.1 定位裝置是能否成功回收載荷艙的關(guān)鍵,在高空低溫環(huán)境條件下,無(wú)法保證設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)故障。因此對(duì)定位裝置進(jìn)行兩套以上進(jìn)行備份很有必要。

6.1.2 通過對(duì)劍橋大學(xué)太空實(shí)驗(yàn)室的探空氣球軌跡預(yù)測(cè)工具的應(yīng)用檢驗(yàn),達(dá)到了預(yù)期效果,能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)落點(diǎn),提高了對(duì)載荷艙回收的效率。

6.2 改進(jìn)

6.2.1 俗話說“望山跑死馬”,本次落點(diǎn)位置在車輛能夠到達(dá)的附近,應(yīng)該考慮落點(diǎn)在偏遠(yuǎn)地區(qū),地形復(fù)雜區(qū)域的交通方式,同時(shí)需要攜帶一些必要的工具、藥品等物資。

6.2.2 如果落區(qū)江河,湖泊水系豐富,要考慮載荷艙儀器設(shè)備的落水保護(hù)。

6.2.3 在回收辨識(shí)度方面,可以使用反光材料,如鋁箔等物品,或?qū)d荷艙用艷麗的色彩進(jìn)行涂裝。如果使用本次實(shí)驗(yàn)的紅綢帶等類似物品一定要捆綁好,以免影響降落傘開傘。夜晚環(huán)境下可以加裝閃爍燈或蜂鳴器。

6.2.4 載荷艙有可能會(huì)被其他人提前拾獲,可以在載荷艙寫上“科學(xué)研究物資,拾獲立付XXX元現(xiàn)金”并留下聯(lián)系方式,有助于載荷艙的回收。

7 其它注意事項(xiàng)

如果要施放探空氣球,國(guó)內(nèi)有《施放氣球管理辦法》,施放前請(qǐng)聯(lián)系當(dāng)?shù)乜展懿块T獲得批準(zhǔn),確保合法。