浮空艇：別樣的空中“大白鯨”

中國自主研發(fā)的浮空艇，是世界首個(gè)登頂珠峰的自主導(dǎo)航無人機(jī)，3個(gè)小時(shí)內(nèi)突破珠峰高度，達(dá)到9032米，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

在皚皚雪山之上，在海拔9000米的高空中，飛來一只神秘的白色“鯨魚”。它來自哪里？它為何來到珠峰之上？它的使命又是什么？

你肯定聽說過潛水艇，然而這艘看起來白白胖胖、實(shí)則很能飛的大型“艦艇”，你是不是第一次聽說？在我國第二次青藏高原綜合科學(xué)考察中，由中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研制的浮空艇創(chuàng)造了多項(xiàng)科考紀(jì)錄，吸引了公眾的視線——“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇平臺(tái)搭載眾多科考儀器及設(shè)備，打破同類型浮空器的升空觀測高度世界紀(jì)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的關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。

[古老航空器迎來新發(fā)展]

浮空器是一種古老的航空器，是人類想翱翔天空、征服藍(lán)天最早使用的航空器。氣球、飛艇這些浮空器出現(xiàn)的時(shí)間比飛機(jī)要早很多，雖然隨著飛機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，浮空器因?yàn)榧夹g(shù)因素和時(shí)代因素等逐漸從大眾的視野里消失，但它所具有的載重大、駐空時(shí)間長、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難以比擬的。因此，科學(xué)家們一直在潛心研究、積累技術(shù)，期待讓它再次蝶變。

浮空器以空氣浮力作為升力或主要升力。它最主要的特點(diǎn)，是通過填充輕于空氣的氣體比如說氦氣、氫氣或熱空氣來產(chǎn)生浮力，我們最熟悉的浮空器是熱氣球。

浮空器按照有無動(dòng)力分為兩大類：有動(dòng)力的叫飛艇，沒有動(dòng)力的叫氣球。而氣球又可以按照有沒有約束分為兩大類：一類沒有約束的稱為自由氣球，部分熱氣球就屬于自由氣球，還有在氣象觀測中常常用到的高空氣球也屬于自由氣球；另一類叫系留氣球，人們通過它下面一根比較長的系纜來將其約束在一定的空域，“極目一號(hào)”就屬于系留氣球。

2017年8月19日，我國啟動(dòng)了第二次青藏科考的考察活動(dòng)，構(gòu)建了保障“亞洲水塔”水安全的“極目”監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括“極目一號(hào)”浮空艇的三維觀測體系、“極目二號(hào)”冰崩災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系、“極目三號(hào)”冰湖潰決災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系，以及“極目四號(hào)”拉薩地球系統(tǒng)多維網(wǎng)等。

“極目一號(hào)”家族目前有兩兄弟，大哥“極目一號(hào)”I型早已聲名顯赫，是各大主流媒體和新聞聯(lián)播的?？汀Ｗ鳛樾〉艿摹皹O目一號(hào)”Ⅲ型浮空器，是在I型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的“火力加強(qiáng)版”。它的駐空高度達(dá)到了9050米的高度，創(chuàng)造了浮空艇大氣科學(xué)觀測世界紀(jì)錄。

在青藏高原科考，為什么要用“極目一號(hào)”這種特殊的浮空器？這是因?yàn)樵诟咴貐^(qū)，垂直剖面的氣象觀測一直是一個(gè)難題，科考人員必須冒著嚴(yán)重的高原反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，使用牦牛將科研儀器馱到不同高度的地方進(jìn)行觀測。這種方法受山地地形的限制，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。而到了6500米以上的地方，牦牛也會(huì)產(chǎn)生高原反應(yīng)不想走了，所以6500米高度以上的垂直剖面氣象觀測還是一個(gè)空白。

使用“極目一號(hào)”浮空艇，則具有以下優(yōu)勢：一是飛得高，可以搭載100千克以上的科學(xué)儀器升空到9000米的高度；二是定得住，可以在指定的高度定點(diǎn)持續(xù)觀測氣象數(shù)據(jù)；三是測得準(zhǔn)，由于浮空艇屬于無動(dòng)力浮空器，對(duì)大氣無擾動(dòng)，測量的大氣參數(shù)準(zhǔn)確，所以特別適合第二次青藏高原科考的高空觀測。

[升空背后的科學(xué)原理]

“極目一號(hào)”下面有一根長長的系纜，這種方式有點(diǎn)像放風(fēng)箏。但它跟風(fēng)箏升空的原理又不太相同。放風(fēng)箏必須有風(fēng)，是因?yàn)轱L(fēng)箏是通過流動(dòng)空氣經(jīng)過物體上下表面時(shí)因流速不同所產(chǎn)生的壓力差來升空的，其原理即著名的伯努利原理。

浮空艇的升空原理則是阿基米德定律：就是浸沒在液體或氣體中的物體受到一個(gè)豎直向上的浮力作用，這個(gè)浮力的大小等于該物體所排開的液體或氣體所受的重力。這也是浮空器設(shè)計(jì)的一個(gè)最基本的公式。根據(jù)需要搭載的載荷重量、升空的高度，再考慮浮空艇的系纜重量，就可以計(jì)算出浮空艇基本需要多大的體積。

浮空艇如大鯨魚一般的造型，是為了保證它在遇到大風(fēng)時(shí)只會(huì)被風(fēng)吹得水平移動(dòng)，而不會(huì)上下起伏翻滾。它的尾部有三個(gè)尾翼，這樣可以保證它在遇到不同風(fēng)向時(shí)能快速轉(zhuǎn)向，頭部始終沖著風(fēng)來的方向，能保證風(fēng)阻最小。

“極目一號(hào)”設(shè)計(jì)的抗風(fēng)指標(biāo)是9級(jí)，根據(jù)駐空高度的空氣密度和風(fēng)速，能夠算出其內(nèi)外部的壓力差可以達(dá)到245帕。當(dāng)然這只是一個(gè)基礎(chǔ)的壓力。實(shí)際工作中它受到的壓力比這個(gè)還要大，因?yàn)槌丝癸L(fēng)，它下邊還要掛載重物。如果沒有足夠的壓力，很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)氣囊體造成損傷。我們需要讓氣囊體保持一定壓力，使重力造成的力均勻地分布在各個(gè)連接點(diǎn)上，這樣才能保證氣囊體的安全。

有了壓力之后還要自我調(diào)節(jié)，浮空艇有兩個(gè)氣囊，除了充氦氣的主氣囊，其“腹部”下方還有一個(gè)小的副氣囊。副氣囊是充空氣的，通過調(diào)節(jié)副氣囊的空氣墊就可以調(diào)節(jié)壓力。

浮空艇的主系纜，作用主要是約束浮空艇的球體，此外它還有很多組成部分，包括光纖，用來傳輸數(shù)據(jù)，以及供電的電纜，用來從地面?zhèn)鬏旊娏?。浮空艇的駐空時(shí)長有兩個(gè)限制條件：第一個(gè)是空域，一般批復(fù)的空域使用時(shí)間都在晚上，因?yàn)榘滋烀窈斤w機(jī)的國際航線會(huì)經(jīng)過該空域；第二個(gè)是浮空艇的浮力，因?yàn)楦】胀чL期駐空會(huì)有氦氣泄漏，造成浮力減小。駐空時(shí)長如果沒有空域的限制，可以超過15天。

[多元應(yīng)用，未來可期]

目前，系留氣球在民用領(lǐng)域已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用，場景也從平原拓展到高原，從陸地拓展到海洋。從2017年開始，中國科學(xué)院在西藏的魯朗、納木錯(cuò)、珠峰大本營等地開展了8次高原大氣垂直剖面的觀測，工作地點(diǎn)平均海拔高度都在4000米以上，4次打破了浮空艇駐空觀測的世界紀(jì)錄。

浮空艇可以進(jìn)行大氣霧霾監(jiān)測，因?yàn)殪F霾大多是在沒有風(fēng)的靜穩(wěn)天氣中產(chǎn)生，而這正是浮空艇最適合升空的條件。霧霾監(jiān)測需要垂直剖面的分層采樣，要分析污染顆粒物的來源，就需要在不同高度停留，這也非常適合用浮空艇來做。在重點(diǎn)區(qū)域的安防監(jiān)控當(dāng)中，浮空艇可以發(fā)揮高度優(yōu)勢，搭載光電雷達(dá)，對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行一覽無余的監(jiān)測。2010年上海世博會(huì)，浮空艇就開展過這樣一次應(yīng)用。

浮空艇在海洋中也有很多的應(yīng)用。近些年多次赴西沙、南沙、舟山、三亞、青島的海域開展了系留氣球船基作業(yè)，填補(bǔ)了我國船基系留氣球應(yīng)用的空白。應(yīng)急通信項(xiàng)目有很多海上應(yīng)用場景，包括海上搜救與救援，比如說發(fā)生翻船事故或有船只遇險(xiǎn)，需要對(duì)人員進(jìn)行搜救等。這種情況下海事局需要組織周邊船只進(jìn)行救援，不管是漁船還是科研船只，都需要接受指揮、協(xié)調(diào)、調(diào)度并保持應(yīng)急通信不間斷。通過船載系留氣球，可以很好滿足這樣的使用場景。

由中國科學(xué)院空天院研制的系留氣球平臺(tái)，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)域開展了科學(xué)試驗(yàn)與應(yīng)用示范，取得了突出的實(shí)驗(yàn)成果與亮眼的科考成績。在對(duì)地觀測、氣象探測、災(zāi)害監(jiān)測、防務(wù)監(jiān)視、應(yīng)急通信、中繼通信、雷達(dá)探測、城鄉(xiāng)觀測、科學(xué)考察等廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，系留氣球平臺(tái)已初露崢嶸，未來可期。