放高空氣球和普通氣球有什么不同？

 

高空氣球，已有200年歷史，現代又稱高空科學氣球，是指在臨近空間（高度20-100km的空間區域）自由飛行的無動力浮空器。

    國內高空氣球研究始于1979年，目的為了給中科院高能天體物理實驗研究建立空間運載手段，在著名科學家何澤慧院士大力支持和顧逸東院士具體領導下，于1984年建成了我國唯一的高空科學氣球系統，從1991年至今，中科院高能所氣球組以及之后聯合成立的空天院浮空器中心團隊共發放高空氣球76次，累計飛行時間超過350小時，創造了最大氣球體積60萬立方米，最大設計載荷能力1.9噸，最高飛行高度45km，最長持續飛行時間3天的記錄，代表了目前國內高空氣球技術發展的最高水平。高空科學氣球系統可應用于多學科實驗研究，包括宇宙線、空間硬X和γ射線天文、紅外天文、空間物理、空間生物和遺傳等領域，是新型空間設備與儀器在空間環境下進行性能驗證的有效手段


2001年40萬立方米HAPI-4高空科學氣球準備發放

鴻鵠專項是由中科院空天信息創新研究院牽頭，20多家中科院系統內外單位參與的中科院A類戰略性科技先導專項，旨在將研制重載浮空器、持久駐空超壓浮空器、可復用動力浮空器等實驗平臺，建成我國首個臨近空間科學實驗系統，開展國際上迄今為止覆蓋參量種類最全的臨近空間全域綜合探測，引領國際臨近空間相關科學研究，提升臨近空間開發利用能力。其中的重載浮空器就是指高空科學氣球。

鴻鵠專項高空氣球飛行示意圖

選址講究

高空氣球發放場的選址是很有講究的：

1、發射場的周邊地區不應該是人口稠密地區，也不應該有重要的安全或防護設施（例如高壓線，風電場，核電站，軍事基地……）。

2、交通運輸方便，項目涉及到的人員、設備、材料以及氦氣應該方便地運送到發放場。

3、在試驗期間地面的風力應該比較弱，并且風向改變不大。

4、在氣球的水平飛行路徑下面不應該有大城市或者重要的設施。

5、必須可以從飛行降落區安全可靠地回收球載設備。

6、不得妨礙空中交通管制。必須遠離任何國際邊界。

所以發射場一般建立在荒野地區，或者人口密度較低的廣闊的農業與畜牧業地區。

風速要小

高空科學氣球本身無動力，其運動受風場驅動，對氣象條件，尤其是風場的要求非常高。所以氣象保障和軌跡預測的工作對于高空科學氣球的發放窗口決策至關重要。

發放當天，風速要求盡量小，并且在地面以及300米以下的低空，風向需要相同且穩定（如果地面和低空的風向相反，風就會對氣球產生類似于剪刀的剪切效果）。此外，氣球需要上升并進入一個稱為準零風層的高度，這個高度的風向比較穩定，風速較小，并且在此高度上下存在東西風向的切變。高空科學氣球如果要進行長航時的飛行，需要找到準零風層，在此高度駐留，并通過高度調節來尋找需要的風向。但準零風層的高度是隨著位置和季節而動態變化的。

某一時期海拔高度與風速關系圖

空域限制

空域是指各種航空器運行的空間區域，屬于寶貴的國家資源。由于高空科學氣球的飛行高度會跨過航線，所以每次飛行都必須申請空域。空域除了空間上的限制，也會有時間上的要求。比如這次空管部門給我們劃定了允許飛行的空間范圍之后，還要求我們每次飛行都要提前申報，為保障民航航線安全，大部分限定的發放時間都是在夜間，但也出現過萬事俱備只欠空域，而最終未獲批準的情況。


上海民航空域管制圖，橘紅是限制區和禁飛區。

看了這張圖你就會理解，高空科學氣球為什么要選在地廣人稀的地方飛行了：大城市里面除了禁飛區，就是航線了，沒有給高空氣球飛行這種特殊空域的空間了。

負有使命

高空氣球可以在臨近空間飛行并開展科學與技術研究活動，“身臨其境”的原位探測為科學家帶來了豐富的一手資料，極大地推動了大氣物理、空間天氣、宇宙射線和空間生物等學科的觀測研究。比如這一次在青海海西州德令哈市大柴旦鎮發放的高科科學氣球，有四大類科學目標，分別是平流層長航時原位大氣觀測；臨近空間模擬隕石拋投試驗；臨近空間地磁暴探測試驗；臨近空間生物暴露試驗。

平流層長航時原位大氣觀測試驗將獲取多參量觀測數據，研究青藏高原上空大氣動力、化學、輻射等關鍵參數的分布特征和短期變化規律，理解物質進入平流層的擴散過程及化學轉化過程及對全球氣候與環境的影響，尤其是在人類活動排放的大氣污染物以及生態環境固碳效應對氣候變化的強迫作用方面將取得重大科學突破。

臨近空間模擬隕石拋投試驗在8km以上高度進行模擬隕石投放，進行臨近空間環境生物存活探查分析，通過對隕石落地時產生的沖擊對于隕石中攜帶生命的影響進行分析研究，探究生命體通過隕石進行行星際傳輸的可能性。

臨近空間地磁暴探測試驗通過原位探測太陽冕洞爆發引發的地磁暴現象,研究空間天氣對人類空間活動的影響。太陽上出現的耀斑和日冕物質拋射等劇烈活動，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛星運行和安全，以及人類健康，帶來嚴重影響和危害，這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。通過此項研究，將有助于我們準確地預測空間天氣現象并及時采取適當措施降低其危害。

臨近空間生物暴露試驗主要開展臨近空間大氣環境對代表性模式生物的影響研究，研究生物暴露效應及其與臨近空間紫外輻射關聯，為研究生物適應臨近空間極端環境提供重要支撐，同時測量平流層氣體成分以及同位素、電波散射效應，為臨近空間生物樣品所處的極端環境提供定量評價標準。

 

作者簡介：

黃宛寧，中國科學院空天信息創新研究院浮空器系統研究發展中心高級工程師，主要從事浮空器遙測遙控和載荷應用等研究工作。


放高空氣球和普通氣球有什么不同？

圖文簡介

高空科學氣球系統可應用于多學科實驗研究，包括宇宙線、空間硬X和γ射線天文、紅外天文、空間物理、空間生物和遺傳等領域，是新型空間設備與儀器在空間環境下進行性能驗證的有效手段。