玩个气球就能创造世界纪录,你行吗?

科普中国-科普融合创作与传播 2019-06-24

  

出品:科普中国

  制作:黄宛宁张泰华  中国科学院空天信息研究院

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  气球作为儿童玩具的形象早已深入人心,旅游景点附近贩卖气球玩具随处可见。

  

  玩具气球

  (图片来源:http://tieba.baidu.com/p/6139525060

  稍微进阶版的就是利用气球能飞上天的原理载物。看过迪士尼动画电影《飞屋环游记》的观众都对这个画面印象深刻,主人公老爷爷用一大堆玩具气球绑住自己的房子,实现了飞天的梦想。

  

  《飞屋环游记》剧照

  (图片来源https://item.jd.com/26654983774.html

  这样的飞天耗费气球有点多,实现起来比较麻烦。实际上用一个不太大的热气球就可以实现这样的功能。我想要带你去浪漫的土耳其,然后一起去东京和巴黎……”每当听到这句歌词,都让人忍不住想要去土耳其浪漫一下,感受乘坐热气球飞行的魅力。

  

  浪漫的土耳其的热气球(图片来源:veer图库)

  以上我们介绍的都是普通人对气球的玩法。那科学家玩起气球来又是什么样的呢?

  科学家们怎么玩气球?

  科学家常玩的一种气球叫做系留气球。相比于娱乐,系留气球更注重科学作用,在科学考察,环境监测中正发挥着不可替代的重要作用。

  系留气球,顾名思义,就是指气球的下端有一根缆绳栓系着。乍一看,这不就是放风筝嘛。特别是最近出现的大型风筝还真有向充气型发展的趋势,不过它们不是像气球一样填充氦气或者氢气,而是填充空气。

  

  大型充气风筝

  (图片来源:https://mp.weixin.qq.com/s? src=11×tamp=1560260944&ver=1662&signature=Zhi4GIxz1yzpCdypVnX-Ipsd1ggFtPNuwbL-LZJlbC*kvb9JSqz-p4KS5AQd9HxwTmMtDzEy6x5tFwUi07-AnUDZ3n7fACRwjqrSM38K3uIPfnmgZB4eYSDq8aLgoqXY&new=1

  有同学可能会问,我们平时玩的玩具气球也有一根绳子拴着,那它们属于系留气球吗?其实,当我们用手牵着气球的绳子的时候,可以勉强称其为系留气球;一旦我们松开了手,气球飞向天空,那就成了自由气球。

  

  当我们牵着玩具气球的绳子时它是系留气球(图片来源:veer图库)

  

  当我们放开玩具气球的绳子时它就是自由气球(图片来源:veer图库)

  

  造型不一样,作用大不同

  当然,这只是为了解释名字方便。科学家玩的系留气球,它下面系着的缆绳不仅仅起到拽着气球的作用,其实它是一根很有技术含量的缆绳。这根缆绳除了含有承受拉力的纤维,还有电缆和光纤,分别起到供电和通信的作用。为了达到气球升空的要求,在满足受力、输电和光纤通信需求的前提下,还要做到重量尽可能轻。

  这根缆绳学名叫做光电复合缆有了它,系留气球上的设备就可以通过系缆输送电,实现地面电源供电,这样设备就几乎不受能源的限制,可以发挥它最大的优势:长时间定点定高驻空。

  

  光电复合缆结构

  (图片来源:http://shop.ebdoor.com/Shops/3530739/Products/38045131.aspx

  (形式跟上图这个类似,但是上图是地面用的光电复合缆,不需要考虑减重)

  这个气球升到了7003米,创造了世界纪录!

  201959日起,我国自主研制的极目一号系留气球在西藏第二大湖纳木错开展了多次高空观测。61日早上540分,系留气球上升到海拔6761米,顺利完成了第7次高空观测。这次系留气球高空观测任务,平均升空海拔近6800米,其中在523日凌晨601分,极目一号创造了同类系留气球高空科学观测的世界纪录,上升到7003米。

  中科院院士、第二次青藏科考首席科学家姚檀栋这样介绍此次高空观测创造的世界纪录:“‘极目一号系留气球能够上到7千米,去测大气中的水汽稳定同位素,这在世界上是第一次,在青藏高原的观测则有着更特殊的意义。

   这个地区是西风和季风相互作用的地区,而纳木错地区又是西风和季风相互作用的一个转换地区。之前我们对于整个亚洲水塔(亚洲水塔指的是以青藏高原为主体的世界第三极,有众多的高山山脉,分布着除南北极之外最大的冰川群,滋润了数量众多的河流和湖泊。)的水汽来源,对季风和西风起多大作用,都不是很清楚。通过将系留气球至少上升到7千米观测出的大气中水汽稳定同位素值,我们发现这种水汽的输送是从东南方向来的。这实际上超出传统上我们对印度季风输送高度的认识在科学上肯定是新的发现。

  

  系留气球在纳木错地区进行科考

  (图片来源:中科院空天信息研究院浮空器研发中心张泰华摄影)

  系留气球最适合用于高原高空气象观测

  系留气球给青藏科考带来的技术突破是显而易见的。

  之前,在高原地区的垂直剖面气象观测一直是一个难题。科考队员冒着严重高原反应的风险,使用牦牛将科研仪器驮到高原不同的高度进行观测,这种方法受山地地形所限,所获取的数据无论是时间和空间上都比较分散。

  而且使用肩扛牛驼的方法,即使将仪器设备带到较高海拔地点,仍然无法消除地表影响,以至于无法获得相关海拔高度水汽同位素和黑炭等大气成分的真实含量和变化,地面非接触测量设备的测量误差远远超出了相关组分的变化幅度。据说,牦牛到了海拔6500米,再往高处就打死也不走了

  

  牦牛表示:这个锅我不背……(图片来源:veer图库)

   

  同是高空观察系留气球行直升机为啥不行?

  系留气球本次主要用于垂直剖面气象观测,即在同一地点不同高度分别驻留一段时间,采集气象参数,分析气象参数在该点不同高度的变化趋势。

  对于这类任务,理论上我们也可以使用直升机进行观测。但是目前可以使用的高原型直升机表现最好的是军用直18,最大极限升限为9000m。但如果要在青藏

  高原地区进行高空气象观测,必须搭载超过100公斤的科学仪器,而且要长时间定点悬停采集数据,这对直升机来说要求就太高了。

  

  18AC313军用版)

  (图片来源http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.

  直升机飞行高度有限和它特殊的飞行方式有关,主要依靠桨叶在发动机的工作带动下旋转向下压缩空气而获得升力。当产生的升力大于直升机总重时,直升机就可以成功起飞。而高原地区海拔高,空气稀薄,此时直升机桨叶向下压缩空气时的效率将会下降,直升机飞行性能自然也明显下降。

  不使用直升机进行科考观测,更重要的原因在于直升机的工作方式对周围气流产生了较大的扰动,这样就会干扰到气象数据的采集。而使用系留气球观测,本身没有发动机之类的动力,对周围环境的影响几乎可以忽略不计,特别适合高空垂直剖面气象参数观测的任务。

  系留气球和船一样会停泊

  系留气球是依靠浮力升空的,载重要求越高,升空高度越高,系留气球的体积就越大。

  看到这里大家肯定会有一个疑问:这么大个气球会不会被风吹跑?

  答案是当然不会!

  除了主系缆有很高的安全系数外,系留气球系统的地面锚泊设施也起了重要的作用。

  

  大型船舶的船锚(图片来源:veer图库)

  锚泊这个词是从船舶专业的锚泊一词发展过来的。系留气球锚泊设施的主要作用也和船舶上的锚泊设施类似,虽然形式上有所区别,但是两者作用一致,都是起稳定固定作用的。

  前者是为了固定气球球体不被风吹跑,后者是为了稳定固定船体;前者的系缆长度可以通过主绞盘收放,后者锚链的长度可以根据水深需要收放调节。

  系留气球有两个状态,系留状态和锚泊状态。

  系留状态可以看作是它的工作状态,气球只被主系缆拽着,停留在需要的高度,这个时候气球上的仪器设备就可以开始工作了。

  

  系留状态的系留气球

  (图片来源:中科院空天信息研究院浮空器研发中心屈维摄影)

  锚泊状态可以视为待机状态,气球收回到锚泊平台上,由头部的鼻锥和两侧系索三点共同约束,这时气球处于一个抗风能力更好的状态,此时气球上的科学仪器会关机,仅留有球体压力控制的设备正常工作。

  

  系留气球处于锚泊状态(头部鼻锥和两侧系索,共三点约束)

  (图片来源:中科院空天信息研究院浮空器研发中心祝榕辰摄影)

  而且锚泊设施上有一个回转平台,可以由球体带动自由转动,使流线型气球的头部始终对着来风的方向,这样气球所受的风阻相对最小。

  

(图片来源:中科院空天信息研究院浮空器研发中心屈维摄影)

  所以,一旦遇到恶劣天气,操作人员就会将系留气球置于锚泊状态以保证球体的安全。

  本次纳木错试验,是中科院空天信息研究院的系留气球第6次在青藏高原地区进行科考作业未来,我国将完成系统的极目观测,实现对第三极生态、环境、资源、灾害等过程的大范围、多尺度、系统化、常态化监测,为科学研究和社会经济发展提供精准数据。

  下一步,科考队将利用系留气球继续到青藏高原其他地区进行观测,并有望挑战更高的升空高度。

  参考文献:

  [1]人民网军事频道.国产直-18直升机首次飞越珠峰 飞行高度达9000[EB/OL].http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.

  [2]黄宛宁, 栗颖思, 周书宇, et al. 现代浮空器军事应用[J]. 科技导报, 2017(15):22-29.

  [3]新华社.7003米!我国自主研发的系留浮空器破高度纪录[EB/OL].http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/6153393,2019-5-23.

责任编辑:sun

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