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【科普时间】 探空气球
发布时间:2016-03-24 21:39:57| 浏览次数:
转载自:浮空器

编者按

说起气球,大家最早接触到的一定是五颜六色、可以用嘴吹的橡胶气球,也一定梦想过像《飞屋环游记》那样用气球把自己带上天。第一次接触中科院的气球飞行器研究中心,心想这地儿难道是做小气球的?中科院不是搞科研的地方吗?参与进来,才发现此气球非彼气球,动辄几万、几十万立方的高空科学气球确实是各种高大上,这家伙要是用嘴吹估计得全国人民一块来吹了

当然,高空气球可不能靠嘴吹,除非你是个活的快速氦气发生器,其一是因为空气是不能产生升力的,目前的浮空器基本都采用氦气;其二是因为每次发放使用的氦气排得用卡车来拉,而且充气操作往往要持续几个小时之久。所以说,浮空器与咱小时候玩过的气球还是有很大的差别的。但是等真正参与到飞行试验中,发现原来这里还是有一种和玩具气球类似的东西,也就是今天要介绍的探空气球了。

探空气球

探空气球,顾名思义就是用来探测天空的气球,准确地说是探测从地面到几十公里高空的大气空间参数。在进行大型浮空器尤其是高空浮空器的飞行前,仅根据气象数据还无法很好地判断发放窗口和规划飞行路线,这就需要提前发放一系列探空气球,利用其数据来进行分析和预测。说起探空气球,研究气象方面的人士一定不会陌生,全国各地那么多气象站几乎每天都要发放探空气球来获取从地面到几十公里高空大气垂直剖面的参数。


探空气球在二十世纪二十年代就得到了实际应用,它们一直被沿用至今且没有任何根本性的变化。探空气球可以直接测量超过30千米高度的大气压力、温度、湿度以及风速风向等高空气象数据。它们价格低廉且发放简单,对于各地气象站的大量使用来说是非常合适的。


直到今天,探空气球仍是高空气象最主要的直接探测方式之一,原因包括低成本、易操作、升速慢。您没听错,要平稳获取大气垂直剖面较密集的数据点,速度快了还真不行,尤其是对风层风场的直接测量,像探空火箭这种非浮空器还真做不来。因为成本低,为了更准确地获取气象数据,就可以任性地发放很多探空气球,早上起来放一个,晚饭过后放一个,休闲娱乐放一个,全家团聚放一个。但实际上每一个探空气球的发放时间点和发放数量都是根据计算要求严格执行的,毕竟气球不是你想放,相放就能放。

发放探空气球

探空气球基本为橡胶气球,其原料是天然橡胶乳胶,它比任何化学合成物质有着更优异的伸长特性,它在一个方向上的伸展可以超过500%。形成这种特质的原因在于,橡胶是异戊二烯分子纵向排列成链状结构的聚合物,当橡胶分子不受外力作用时是一个具有大量弯曲的长链,所以当外力作用于橡胶时,分子链可拉伸范围极大;外力撤销后,橡胶便恢复到原来的状态。当在橡胶中添加硫进行硫化处理时,加入的硫在相邻的长链之间形成了交键,这提高了橡胶的弹性变形特性。橡胶气球在地面充入浮升气体后,逐渐呈现正球形,当气球上升时,材料不断拉伸,球体表面积不断增大,当气球到达其膨胀极限时就会爆炸,从而结束飞行过程。

橡胶气球的大小受到制造方法的限制,而且其有效载荷一般较小。橡胶气球自身的质量一般在几百克,探空仪的质量一般也在一千克以内,单人手持就可发放。根据充入的气体量可以控制气球的升速,同时也决定气球探测的高度。因为充入的气体越多,升速越快,但达到膨胀极限的高度也越低,在破裂之前探测的高度也低。所以实际使用时要根据对探测高度和升空速度(探测时效)的要求确定充气量。

当然,这个方法仅限于特殊使用情况,气象站在使用时都是有一套成熟的操作规范的,只要照着做就好了。至于发放方式,风小的时候怎么都好说,把气球升起来,一撒手就行了。至于风大的时候嘛,就看你小脑的运算速度和身体协调能力了。等气球越升越高,又成了大家锻炼视力的好时候了,往往到最后变成一个小点的时候,眨一下眼就找不到了。

探空仪内部安装有大气参数测量装置和GPS定位装置,同时配有供电能源,通过地面站天线对探空气球进行追踪并获取回传数据。大气参数探测一般包括大气温、湿度和当地大气压,GPS定位装置则用于获取位置及位置变化,以便推算高度、升速、水平风速风向等等。气球与探空仪之间一般都系有很长的拉绳,以防止探空仪随气球大幅度摆动,影响GPS数据。当然,有些情况下也可以将探空仪直接连接至球体底部,一切根据探测需求而定。

探空气球爆炸后自由下落,由于探空仪本身重量极轻且外部一般包裹有很厚的泡沫,因此会产生很大的阻力,加上气球残留碎片的阻力,整个系统的降落速度会相对比较慢,至少不会对地面人员造成威胁。尽管如此,探空气球的发放还是应该尽量选在地广人稀的地方进行,因为你可以想象一下小朋友捡到一个从天而降的小方盒子时的心情。气球和探空仪一般不进行回收,因为成本实在是太低了。当然运气好的时候,也可能会落到距离发放地点的不远处,这样你就可以在外出散步的时候碰巧把它捡回家了。

 
 
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