“今年我們將發放15個高空科學氣球！在年度發放次數上首次超越NASA！” 雖然近兩年我國的高空氣球任務逐年增加，但是對比2017年的4個和2018年的5個，今年想要完成15個發放簡直是“不可能完成的任務”。

1月30日 在青海畫了一個圈

年初在制定“鴻鵠”專項2019年度飛行計劃的時候，在場的每個人覺得這15個球幾乎就是一個不可能完成的任務。

2019年度飛行策劃會上討論發放地點 （攝影：黃宛寧）

為保證人力物力不間斷，高空氣球發放場的選址是很有講究的：首先，發射場的周邊地區不會是人口稠密地區，也不能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……）；不得妨礙空中交通管制，必須遠離任何國際邊界；在氣球的水平飛行路徑下面也不能有大城市或者重要的設施；同時必須可以從飛行降落區安全可靠地回收球載設備。其次，交通運輸必須方便，項目涉及到的人員、設備、材料以及氦氣需要方便地運送到發放場。第三，在試驗期間地面的風力應該比較弱，并且風向改變不大。

高空氣球飛行的高度在航線之上，但是發放時會穿越航線

綜上所述，結合我們科學任務在青藏高原觀測需求，總指揮大筆一揮，在地圖上畫了一個圈，目標鎖定青海海西州德令哈市大柴旦鎮。地廣人稀自不用說，周圍方圓300km只有一條國際航線，這對于目前在國內進行的高空科學氣球的飛行來說，已經是非常理想的條件了。

7月9日 鴻鵠試驗隊正式進場

璀璨銀河下燈火通明的試驗營地 （攝影：祝榕辰）

發放點青海海西州德令哈市大柴旦鎮海拔高達3100米，但對于我們很多上過珠峰大本營的試驗隊員，可以說如履平地。

高空科學氣球發放需要天時（氣象窗口）地利（空域窗口）人和（設備狀態）缺一不可，其中最難掌控的就是天時。

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。

空中鳥瞰試驗營地 （攝影：黃宛寧）

7月20日至24日 搶時間抓氣象窗口

高空氣球的發放流程一般是這樣的：設備準備完畢進入待飛-->高空風場合適-->申報空域-->空域批準-->觀察地面風速-->如果風速較小-->進場準備發放。

高空氣球發放準備流程

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，大部分限定的發放時間都是在夜間。當然也出現過萬事俱備只欠空域，而最終未獲批準的情況。

動態發放設備準備就緒 （攝影：屈維）

可以看出，空域申報成功后地面風速是個決定因素。所以在微信群里就出現了這樣令人費解的通知：“明天空域已批，大家注意群里通知，若屆時地面風小，1:30出發；若地面風大，3點出發。”既然地面風大，那3點出發干啥呢？到場地坐等地面風速減小！為了能夠保證在天亮之前發放，我們必須凌晨進入試驗場地，所以枕戈待旦就成了家常便飯。凌晨2到5點，營運客車禁止上路，所以必須趕在1:30進場。但是到了凌晨3點鐘，40多人的團隊只能由一輛小轎車往返接送。

好在大柴旦這塊福地，在一個天氣過程（某種天氣及其相應的天氣系統發生發展的演變過程，是天氣分析和天氣預報需考慮的重要步驟，例如大風降溫天氣過程）過后，會連續出現幾天比較好的氣象窗口，掌握了這個規律，我們所要做的就是加班加點并行開展幾類平臺的聯調測試工作，讓設備早日進入待飛狀態，一旦氣象窗口合適，則抓住機會連續進行發放。

在7月20日至7月24日，試驗隊連續5天凌晨2點進場，實現了窗口期多個氣球的連續發放。

8月28日 與NASA賽跑 共同聚焦空間天氣

8月28日雙球伴飛觀測地磁暴 （攝影：黃宛寧）

8月底的時候，我們的一個飛行試驗是通過臨近空間原位探測太陽冕洞爆發引發的地磁暴現象，研究空間天氣現象對人類空間活動的影響。我們關注到同時期NASA也有一個高空球載日冕儀（BITSE：the balloon-borne investigation of Temperature and Speed of Electrons in the corona）的項目準備發放，通過測量日冕的密度，電子速度和溫度，來揭示太陽風暴的成因，而太陽風暴就是一種典型的空間天氣現象（作者注：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）。

空間天氣活動示意圖

因為太陽冕洞活動有活動周期，我們和NASA都瞄準了8月28號左右這個窗口。我們在8月28日連續發放了兩個高空氣球搭載了2類9臺科學儀器在臨近空間高度進行原位探測，NASA雖然在8月28號也做好了發放準備，但是因為地面風的原因，遲遲沒有發放成功。9月1日和9月4日，我們又分別發放了一次高空氣球搭載不同的載荷對太陽冕洞活動的平靜期進行了對比觀測，而NASA一直等到9月18日才獲得一個理想的地面氣象窗口，最終發放成功。大柴旦地區極佳的地面風場環境為我們連續進行發放創造了氣象條件。

9月12日 趕在中秋節回家

試驗成功的喜悅溢于言表（攝影：黃宛寧）

從7月9日我們鴻鵠試驗隊正式進場，到9月12日，當我們坐上返京的飛機，回家過中秋節時，我們在青海交出了66天發放12個高空氣球，總飛行時間超過168小時的成績單。由空天院研制的高空氣球平臺單次最長飛行時間達到了30小時53分，創造了高空科學氣球在國內空域飛行時長的新紀錄，并首次實施了不同高度的受控飛行和大范圍迂回，嘗試了飛行剖面和落點的精準控制，成功實施了大范圍飛行過程中，多點探空數據對飛行控制的輔助決策支撐，以及長航時遠距離飛行中的接力測控技術。在與NASA  BITSE項目賽跑開展空間天氣研究的地磁暴觀測飛行試驗中，我們在國內首次使用雙球同時伴飛實現針對同一科學目標的多任務載荷搭載飛行（兩大類9個），開創了多任務載荷高空氣球飛行新模式。采用了兩種不同方式的地面發放支持系統并行操作，優化了發放流程；有效降低了地面操作人數。采用了兩地四站雙模式測控鏈路并行工作方式，實現了兩個高空科學氣球全時段全天候無依托跟蹤測控。

 

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。

 


我在青海放氣球的66天

圖文簡介

中科院空天院鴻鵠專項試驗隊，66天在青海放了12個高空氣球，超額完成了驚人的實驗任務量，取得了豐碩的成果。