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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(xiàn)代又稱(chēng)高空科學(xué)氣球，是指在臨近空間（高度20-100km的空間區(qū)域）自由飛行的無(wú)動(dòng)力浮空器。

    國(guó)內(nèi)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(shí)驗(yàn)研究建立空間運(yùn)載手段，在著名科學(xué)家何澤慧院士大力支持和顧逸東院士具體領(lǐng)導(dǎo)下，于1984年建成了我國(guó)唯一的高空科學(xué)氣球系統(tǒng)，從1991年至今，中科院高能所氣球組以及之后聯(lián)合成立的空天院浮空器中心團(tuán)隊(duì)共發(fā)放高空氣球76次，累計(jì)飛行時(shí)間超過(guò)350小時(shí)，創(chuàng)造了最大氣球體積60萬(wàn)立方米，最大設(shè)計(jì)載荷能力1.9噸，最高飛行高度45km，最長(zhǎng)持續(xù)飛行時(shí)間3天的記錄，代表了目前國(guó)內(nèi)高空氣球技術(shù)發(fā)展的最高水平。高空科學(xué)氣球系統(tǒng)可應(yīng)用于多學(xué)科實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域，是新型空間設(shè)備與儀器在空間環(huán)境下進(jìn)行性能驗(yàn)證的有效手段

2001年40萬(wàn)立方米HAPI-4高空科學(xué)氣球準(zhǔn)備發(fā)放

鴻鵠專(zhuān)項(xiàng)是由中科院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭，20多家中科院系統(tǒng)內(nèi)外單位參與的中科院A類(lèi)戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，旨在將研制重載浮空器、持久駐空超壓浮空器、可復(fù)用動(dòng)力浮空器等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建成我國(guó)首個(gè)臨近空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展國(guó)際上迄今為止覆蓋參量種類(lèi)最全的臨近空間全域綜合探測(cè)，引領(lǐng)國(guó)際臨近空間相關(guān)科學(xué)研究，提升臨近空間開(kāi)發(fā)利用能力。其中的重載浮空器就是指高空科學(xué)氣球。

鴻鵠專(zhuān)項(xiàng)高空氣球飛行示意圖

選址講究

高空氣球發(fā)放場(chǎng)的選址是很有講究的：

1、發(fā)射場(chǎng)的周邊地區(qū)不應(yīng)該是人口稠密地區(qū)，也不應(yīng)該有重要的安全或防護(hù)設(shè)施（例如高壓線，風(fēng)電場(chǎng)，核電站，軍事基地……）。

2、交通運(yùn)輸方便，項(xiàng)目涉及到的人員、設(shè)備、材料以及氦氣應(yīng)該方便地運(yùn)送到發(fā)放場(chǎng)。

3、在試驗(yàn)期間地面的風(fēng)力應(yīng)該比較弱，并且風(fēng)向改變不大。

4、在氣球的水平飛行路徑下面不應(yīng)該有大城市或者重要的設(shè)施。

5、必須可以從飛行降落區(qū)安全可靠地回收球載設(shè)備。

6、不得妨礙空中交通管制。必須遠(yuǎn)離任何國(guó)際邊界。

所以發(fā)射場(chǎng)一般建立在荒野地區(qū)，或者人口密度較低的廣闊的農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)地區(qū)。

風(fēng)速要小

高空科學(xué)氣球本身無(wú)動(dòng)力，其運(yùn)動(dòng)受風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)氣象條件，尤其是風(fēng)場(chǎng)的要求非常高。所以氣象保障和軌跡預(yù)測(cè)的工作對(duì)于高空科學(xué)氣球的發(fā)放窗口決策至關(guān)重要。

發(fā)放當(dāng)天，風(fēng)速要求盡量小，并且在地面以及300米以下的低空，風(fēng)向需要相同且穩(wěn)定（如果地面和低空的風(fēng)向相反，風(fēng)就會(huì)對(duì)氣球產(chǎn)生類(lèi)似于剪刀的剪切效果）。此外，氣球需要上升并進(jìn)入一個(gè)稱(chēng)為準(zhǔn)零風(fēng)層的高度，這個(gè)高度的風(fēng)向比較穩(wěn)定，風(fēng)速較小，并且在此高度上下存在東西風(fēng)向的切變。高空科學(xué)氣球如果要進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)的飛行，需要找到準(zhǔn)零風(fēng)層，在此高度駐留，并通過(guò)高度調(diào)節(jié)來(lái)尋找需要的風(fēng)向。但準(zhǔn)零風(fēng)層的高度是隨著位置和季節(jié)而動(dòng)態(tài)變化的。

某一時(shí)期海拔高度與風(fēng)速關(guān)系圖

空域限制

空域是指各種航空器運(yùn)行的空間區(qū)域，屬于寶貴的國(guó)家資源。由于高空科學(xué)氣球的飛行高度會(huì)跨過(guò)航線，所以每次飛行都必須申請(qǐng)空域。空域除了空間上的限制，也會(huì)有時(shí)間上的要求。比如這次空管部門(mén)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(bào)，為保障民航航線安全，大部分限定的發(fā)放時(shí)間都是在夜間，但也出現(xiàn)過(guò)萬(wàn)事俱備只欠空域，而最終未獲批準(zhǔn)的情況。

上海民航空域管制圖，橘紅是限制區(qū)和禁飛區(qū)。

看了這張圖你就會(huì)理解，高空科學(xué)氣球?yàn)槭裁匆x在地廣人稀的地方飛行了：大城市里面除了禁飛區(qū)，就是航線了，沒(méi)有給高空氣球飛行這種特殊空域的空間了。

負(fù)有使命

高空氣球可以在臨近空間飛行并開(kāi)展科學(xué)與技術(shù)研究活動(dòng)，“身臨其境”的原位探測(cè)為科學(xué)家?guī)?lái)了豐富的一手資料，極大地推動(dòng)了大氣物理、空間天氣、宇宙射線和空間生物等學(xué)科的觀測(cè)研究。比如這一次在青海海西州德令哈市大柴旦鎮(zhèn)發(fā)放的高科科學(xué)氣球，有四大類(lèi)科學(xué)目標(biāo)，分別是平流層長(zhǎng)航時(shí)原位大氣觀測(cè)；臨近空間模擬隕石拋投試驗(yàn)；臨近空間地磁暴探測(cè)試驗(yàn)；臨近空間生物暴露試驗(yàn)。

平流層長(zhǎng)航時(shí)原位大氣觀測(cè)試驗(yàn)將獲取多參量觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究青藏高原上空大氣動(dòng)力、化學(xué)、輻射等關(guān)鍵參數(shù)的分布特征和短期變化規(guī)律，理解物質(zhì)進(jìn)入平流層的擴(kuò)散過(guò)程及化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程及對(duì)全球氣候與環(huán)境的影響，尤其是在人類(lèi)活動(dòng)排放的大氣污染物以及生態(tài)環(huán)境固碳效應(yīng)對(duì)氣候變化的強(qiáng)迫作用方面將取得重大科學(xué)突破。

臨近空間模擬隕石拋投試驗(yàn)在8km以上高度進(jìn)行模擬隕石投放，進(jìn)行臨近空間環(huán)境生物存活探查分析，通過(guò)對(duì)隕石落地時(shí)產(chǎn)生的沖擊對(duì)于隕石中攜帶生命的影響進(jìn)行分析研究，探究生命體通過(guò)隕石進(jìn)行行星際傳輸?shù)目赡苄浴?/span>

臨近空間地磁暴探測(cè)試驗(yàn)通過(guò)原位探測(cè)太陽(yáng)冕洞爆發(fā)引發(fā)的地磁暴現(xiàn)象,研究空間天氣對(duì)人類(lèi)空間活動(dòng)的影響。太陽(yáng)上出現(xiàn)的耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動(dòng)，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運(yùn)行和安全，以及人類(lèi)健康，帶來(lái)嚴(yán)重影響和危害，這種由太陽(yáng)活動(dòng)引起的短時(shí)間尺度的變化，稱(chēng)之為空間天氣。通過(guò)此項(xiàng)研究，將有助于我們準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)空間天氣現(xiàn)象并及時(shí)采取適當(dāng)措施降低其危害。

臨近空間生物暴露試驗(yàn)主要開(kāi)展臨近空間大氣環(huán)境對(duì)代表性模式生物的影響研究，研究生物暴露效應(yīng)及其與臨近空間紫外輻射關(guān)聯(lián)，為研究生物適應(yīng)臨近空間極端環(huán)境提供重要支撐，同時(shí)測(cè)量平流層氣體成分以及同位素、電波散射效應(yīng)，為臨近空間生物樣品所處的極端環(huán)境提供定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

作者簡(jiǎn)介：

黃宛寧，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院浮空器系統(tǒng)研究發(fā)展中心高級(jí)工程師，主要從事浮空器遙測(cè)遙控和載荷應(yīng)用等研究工作。