探空氣球載荷艙的回收探討

張 望 劉丹林 易依林

臨近空間探空氣球材料與技術(shù)湖南省重點實驗室 湖南 株洲 412000

1 前言

平流層處在對流層與中間層之間,是距地表大約18～50k m 的高度范圍。平流層大氣空氣稀薄,該環(huán)境的電離、臭氧、污染物、輻射和動力學(xué)過程與人類生存和發(fā)展以及航空、航天、軍事等應(yīng)用密切相關(guān)。平流層大氣資料是大氣物理、空間環(huán)境研究和應(yīng)用物理學(xué)研究所不可缺少的數(shù)據(jù)來源。近年來,隨著人類對平流層科學(xué)研究任務(wù)的增多,采用探空氣球攜帶專業(yè)儀器對平流層的大氣數(shù)據(jù)進行觀測、樣品采集等科研活動也呈上升趨勢。當(dāng)完成任務(wù)后,探空氣球的科學(xué)載荷艙通過降落傘從平流層降落到地面后被回收。通過回收,科研人員可以很容易地獲取大量觀測數(shù)據(jù),而不需要通過無線傳輸。有些設(shè)備回收后,還可以應(yīng)用于其他的飛行試驗,這樣可以降低飛行試驗的成本。

2 回收載荷艙所需要的裝備

要回收探空氣球高空探測任務(wù)后的科學(xué)儀器載荷艙,根據(jù)任務(wù)的不同,要選用合適的探空氣球,同時需要準(zhǔn)備足夠牢固的繩子、降落傘及定位設(shè)備等裝置。

2.1 探空氣球 氣球技術(shù)的一個優(yōu)點是,能夠以相對較低的成本搭載大質(zhì)量的載荷。目前探空氣球大體分為兩種：一種為聚乙烯材質(zhì)焊接而成的塑料高空氣球。2013年日本宇宙航空研究所新開發(fā)的“BS13-08”聚乙烯薄膜氣球升空高度達到53.7k m,刷新了氣球升空最高紀(jì)錄。美國谷歌公司提供應(yīng)急通訊及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“Projiect Loon”氣球也是采用此類材質(zhì)制成。這種氣球直徑大,同時具有較大的載荷能力,可以載荷幾百公斤甚至一噸的儀器升空到一定高度進行科學(xué)活動,但其制造及施放費用高昂、操作復(fù)雜、技術(shù)要求高、場地受限;第二種為使用天然橡膠或氯丁橡膠制成的探空氣球,這種氣球有較大的膨脹余量,通常用于氣象部門將探空儀帶到高空進行溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素測量,是人類研究平流層的重要工具,在氣象學(xué)發(fā)展和天氣預(yù)報工作中起到了重要作用。中國化工株洲橡膠研究設(shè)計院有限公司設(shè)計的750克～6000克的系列規(guī)格探空氣球,能夠攜帶探空儀飛行到30k m～45k m 的高度進行氣象要素的探測,同時設(shè)計了在同一高度范圍漂浮的氣球,以滿足各種任務(wù)的需求。這種探空氣球載荷相對較小,一般載荷量在1～15公斤范圍內(nèi)。該類氣球施放費用相對較低,場地受限小,技術(shù)成熟,可用于載荷量較小的探空任務(wù)。

由于探空氣球是采用灌充氫氣或氦氣產(chǎn)生的浮力差進行升空飛行,升空后無法自己驅(qū)動飛行到想要的目的地,所以不論采用上述哪種探空氣球攜帶載荷艙進行升空探測任務(wù),其回收流程及方法基本是一致的。

2.2 定位裝置 定位裝置是載荷艙能否成功回收的關(guān)鍵設(shè)備,如果無法準(zhǔn)確的標(biāo)定地理坐標(biāo),那么放飛的氣球注定就是踏上了一趟單程航線。目前定位的裝備及技術(shù)比較多,這里介紹四種定位方法供參考：

1)GPS/BD探測系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由探空儀和地面接收處理系統(tǒng)組成。使用時氣球攜帶探空儀升空,探空儀上的GPS/BD定位模塊實時確定探空儀位置信息,經(jīng)發(fā)射機發(fā)送到地面接收分系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理軟件處理后得到氣球的坐標(biāo)位置。該系統(tǒng)可跟蹤范圍水平距離約500公里,高度50公里,定位精度10米內(nèi)。缺點為：整套系統(tǒng)購置費用較高,隨著距離的增加及高度的降低,地面接收天線仰角不斷降低,受地面觀測場地遮擋物對信號的阻擋及雜波的干擾,探空儀會在幾千米高度(視跟蹤距離及觀測環(huán)境)丟失信號。而在這個高度,隨風(fēng)向風(fēng)速的變化,載荷艙的實際落點與信號丟失前的位置會有巨大的差異,增加搜尋難度,只能用于輔助跟蹤。

2)APRS無線電定位系統(tǒng)：APRS(Automatic Position Reporting System)是一種自動位置報告系統(tǒng),通過GPS或其他方式獲得當(dāng)前坐標(biāo),然后調(diào)制成音頻編碼,使用業(yè)余無線電頻率進行廣播發(fā)射。接收設(shè)備再通過解調(diào),將音頻編碼中的坐標(biāo)信息還原,就可以得到跟蹤設(shè)備的位置和軌跡。此種定位方法定位距離及高度有限,要獲得遠距離的無線電波就必須使用較大功率的發(fā)射芯片與天線,同時較為費電,這樣就會增加氣球的載荷,這樣我們是不愿意看到的。另外,使用的民用無線電臺要通過相關(guān)部門的審核與備案。

3)GPS/BD定位追蹤器：GPS/BD定位追蹤器是利用GSM 手機通信網(wǎng)絡(luò),將跟蹤器中的衛(wèi)星或基站定位坐標(biāo)通過短信的形式發(fā)回到指定手機。這種定位跟蹤器已商品化,技術(shù)成熟可靠,價格比較經(jīng)濟。只是在應(yīng)用時要依賴移動通訊服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,如果落點在偏遠地區(qū),荒漠、海洋地域時將有沒有信號的風(fēng)險。

4)銥星定位器：銥星定位器是基于銥衛(wèi)星移動通訊網(wǎng)絡(luò),具有SBD短數(shù)據(jù)傳輸能力的衛(wèi)星通信設(shè)備。借助銥星SBD短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),終端可在全球范圍內(nèi),實現(xiàn)實時、全雙工、透明的數(shù)據(jù)傳輸和定位跟蹤服務(wù)。銥星定位器服務(wù)的開通費用大概在伍佰元左右,同時服務(wù)使用按數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)數(shù)進行收取費用或者采用包月形式進行費用收取。銥星定位器最大的特點是基于衛(wèi)星的通信,不受時間地域的限制,可以在全球任何地方進行定位跟蹤服務(wù)。

我們可以根據(jù)探空氣球載荷艙回收任務(wù)的性質(zhì)及經(jīng)費預(yù)算,選擇合適的定位裝置。由于探空氣球升空后,會經(jīng)歷低溫區(qū)域,最低溫度可達-80℃。因此在選擇使用定位裝置時,應(yīng)經(jīng)量選擇可靠性好的裝備,同時建議采用兩種定位裝置以上,防止裝置升空過程當(dāng)中出現(xiàn)意外失靈的情況,造成無法定位落點,導(dǎo)致載荷艙的回收失敗。

2.3 降落傘 探空氣球載荷艙能夠安全,平穩(wěn)、有效的回收,降落傘是必不可少的重要裝備。探空氣球攜帶載荷艙通常可以升空到海拔20～40公里的高度,當(dāng)氣球上升至破裂或釋放機構(gòu)打開,載荷艙在重力加速度的影響下,在落地時將產(chǎn)出巨大的的沖擊力,對地面人員、財產(chǎn)安全帶來巨大的隱患,同時如此的大的沖擊力載荷艙也將粉身碎骨。載荷艙到底需要多大的傘,可以用下面這個公式來計算,假設(shè)載荷艙重1.8公斤,降落速度設(shè)計為4米/秒：

式中：D為傘直徑;m 為載荷艙重量;g為重力加速度;π常數(shù);

ρ為空氣密度;Cd為風(fēng)阻系數(shù);v為與空氣相對速度

因此我們可以得出降落傘面積為A＝＝0.75 m2

資料顯示傘兵的降落傘下降最大速度是小于7米/秒,無人機傘降回收的速度也差不多是這樣的,因此只要下降速度小于7米/秒,就能保證載荷艙的安全,同時載荷艙下落速度稍快點,意味著飄落的距離短一些,有利于搜索回收的開展。

3 載荷艙落點預(yù)測

對載荷艙落點進行預(yù)測,能夠指引我們提前抵達落點附近,及時開展載荷艙的搜尋回收任務(wù)。否則載荷艙存在會被其他人撿走的風(fēng)險,或者掉落的地點地形復(fù)雜,難以抵達,導(dǎo)致定位裝置電量耗盡都不能到達落點,導(dǎo)致無法回收載荷艙。探空氣球升空后不能控制方向,只能隨風(fēng)飄蕩,高空風(fēng)向風(fēng)速多變,我們可以根據(jù)氣象局高空探測站的風(fēng)流數(shù)據(jù)進行大概落點預(yù)測。目前全球高空風(fēng)的數(shù)據(jù)來自各個國家高空探測氣象站01時,07時、19時施放氣象氣球探空的交換數(shù)據(jù)探測得來的。對非專業(yè)人士來說,要通過這些數(shù)據(jù)對落點的分析預(yù)測是比較困難的。我們可以利用劍橋大學(xué)太空飛行實驗室的預(yù)測工具：http：//predict.habhub.org/,該工具基于對全球大氣環(huán)流的分析,能夠預(yù)測任意地點的氣球放飛軌跡。只要在填入地點,海拔,時間,同時輸入氣球尺寸和載荷質(zhì)量和降落傘下降速率等參數(shù),就能預(yù)測氣球的飛行軌跡,并預(yù)測氣球會大約在何時何處爆炸,以及最終的大致落點。

4 必要的試驗

高空與地面最大的差異除了大氣稀薄以外,就是溫度的不同。隨著海拔的升高,高空的溫度不斷降低,在對流層頂附近能達到-80℃的極值。雖然氣球穿過對流層頂后,溫度會緩慢回升,但通常也一直處于-30～50℃之間。在如此低溫下載荷艙內(nèi)儀器及定位裝置的電子系統(tǒng)可能遇到各種難以預(yù)料的問題,導(dǎo)致設(shè)備的罷工。低溫同時會造成電池容量的降低,請不要使用干電池,一般電子產(chǎn)品使用的鋰離子電池就可以適應(yīng)低溫環(huán)境。結(jié)合攜帶的電子設(shè)備,要搭配適量的電池組滿足電源需求。

我們可以將所需的設(shè)備裝在吊艙中,固定好設(shè)備位置,防止升空及落地時搖晃滾動脫落。定位裝置安放在放在靈敏的地方,因為任何物品都有可能影響GPS/BD衛(wèi)星信號。放入-40℃低溫箱中進行模擬高空低溫適應(yīng)實驗。常見的聚苯乙烯泡沫箱就是很好的包裝材料,泡沫箱的壁厚不能太薄,推薦厚度為20～30 mm,可以同時滿足了密封和保溫的需求。通過低溫實驗來檢驗所需要的設(shè)備是否能在低溫環(huán)境下正常工作,電池電量是否滿足探測任務(wù)時間需求。

我們還要對降落傘模擬負載的降速進行測試,使載荷艙處于安全降速之內(nèi),同時可以給落點預(yù)測提供下落數(shù)據(jù)參數(shù)。

5 模擬回收實例

經(jīng)過前期設(shè)備采購及測試準(zhǔn)備工作,我們團隊于2018年8月底,在湖南株洲施放了一個探空氣球并成功的進行了回收。

5.1 回收設(shè)計構(gòu)想

5.1.1 載荷艙通常用繩子連接在探空氣球下方升空探測,本次回收主要驗證是否能夠成功回收到降落的氣球殘骸,我們用定位追蹤器及探空儀替代載荷艙進行升空回收。

5.1.2 為了增加回收難度及驗證電池的續(xù)航能力,增加氣球飛行的時間、升空高度及漂飛的距離,適當(dāng)?shù)臏p少了探空氣球的充氣量,讓氣球以3米/秒的升速進行升空。

5.1.3 為了增加回收目標(biāo)的辨識度,準(zhǔn)備了30×500c m 的紅色綢布綁在降落傘下方,便于搜索目標(biāo)時更容易尋獲。

5.2 設(shè)備材料準(zhǔn)備 華一750克探空氣球一個;BJ-400探空系統(tǒng)一套;T131GPS/BD定位追蹤器一個;降落傘一個;預(yù)付費中國移動SIM 卡一張;紅綢帶一條;2 mm 棉繩一根;氫氣一瓶;充氣薄膜墊一張;減壓閥充氣管一套;膠帶紙、氣泡膜、泡沫箱若干。

5.3 氣球放飛回收流程

5.3.1 氣球充氣 我們這次使用的華一牌750克探空氣象氣球是氣象部門用于氣象要素探測的探空氣球,由天然橡膠適量添加配合劑加工而成,通常能夠飛行到30k m 的高空。由于球膜很薄,操作時需帶上橡膠手套,不要剮蹭球皮防止對氣球造成損害,影響升空高度。氣球不能直接放在地上,需要放在鋪好干凈光滑的薄膜上進行充氣。灌充的氣體為氫氣,由于其化學(xué)成分較為活躍,容易被靜電放電點燃爆炸,具有一定的危險性,非專業(yè)操作人員建議使用惰性氣體氦氣,氦氣除了價格昂貴外,幾乎不會發(fā)生任何危險。

探空氣球規(guī)格越大,充氣量相對越少,升空的海拔就會越高,升速也較慢,充氣過多則反之。750克探空氣球在氣象業(yè)務(wù)中通常灌充凈舉力為1500克,平均升速大約為6米/秒。本次實驗中,為了增加回收難度,特意將凈舉力調(diào)整到500克,控制平均升速在3米/秒左右,以增加升空時間和升空高度獲得更遠的飄飛距離。

5.3.2 降落傘及儀器的綁定 充氣的同時我們將降落傘及儀器設(shè)備通過放球繩進行綁定。放球繩長度最好不短于30米,合適的長度可以減少高空風(fēng)對儀器設(shè)備的造成的擺幅,提高儀器設(shè)備的升空穩(wěn)定性。降落傘的連接越簡單越好,可靠性也高,用單根放球繩綁住降落傘的頂端,另一端連接探空氣球柄部位置。同時將低溫測試過的探空儀,GPS/BD 追蹤器進行通電,再次確認是否工作正常,沒有問題后將儀器設(shè)備綁定在降落傘下放球繩的尾端,同時綁上紅綢帶增加目標(biāo)辨識度。

5.3.3 氣球施放 當(dāng)氣球灌充好,儀器設(shè)備檢查完畢后可將降落傘上端放球繩與氣球柄部連接好,施放時選擇氣象條件良好,無風(fēng)的時機進行施放,施放地點應(yīng)遠離人口稠密地區(qū)、大型機場附近。

5.3.4 落點預(yù)測 氣球升空后,立即使用探空氣球落點預(yù)測工具進行落點預(yù)測,并立即驅(qū)車趕往預(yù)測落點附近,進行回收任務(wù)。

5.4 過程概況 8月31日,早上07時我們在湖南省株洲市施放了一個攜帶探空儀及定位追蹤器的探空氣球,通過軌跡預(yù)測落點位于距株洲以西130公里的漣源市附近。我們搜索隊立即驅(qū)車趕往漣源市附近等待回收。氣球以平均3.5米/秒的升速,飛行到海拔35379米的高度后破裂,探測系統(tǒng)監(jiān)控到探空儀以平均13米/秒的降速下落,24分鐘后在海拔16602米的高度失去信號。由于高空無移動通訊信號,也無法通過GPS/BD 追蹤器來定位坐標(biāo)位置,我們只能祈禱追蹤器落地后發(fā)回坐標(biāo)位置。10時左右,GPS/BD追蹤器落地后,以短信的方式發(fā)回了坐標(biāo)位置,落點實際位置離預(yù)測地點相距27公里,搜索隊立即前往,于11時在一片密林中成功找回降落的儀器設(shè)備。回收后的探空儀、追蹤器經(jīng)測試均能正常使用,探空儀一萬六千米信號丟失的原因為電池出現(xiàn)故障引起的,降速過快是由于用于增加辨識的紅綢帶只固定了一端,在隨風(fēng)擺動下將降落傘纏繞未能完全打開所致。

6 總結(jié)分析及改進

6.1 總結(jié)

6.1.1 定位裝置是能否成功回收載荷艙的關(guān)鍵,在高空低溫環(huán)境條件下,無法保證設(shè)備不會出現(xiàn)故障。因此對定位裝置進行兩套以上進行備份很有必要。

6.1.2 通過對劍橋大學(xué)太空實驗室的探空氣球軌跡預(yù)測工具的應(yīng)用檢驗,達到了預(yù)期效果,能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測落點,提高了對載荷艙回收的效率。

6.2 改進

6.2.1 俗話說“望山跑死馬”,本次落點位置在車輛能夠到達的附近,應(yīng)該考慮落點在偏遠地區(qū),地形復(fù)雜區(qū)域的交通方式,同時需要攜帶一些必要的工具、藥品等物資。

6.2.2 如果落區(qū)江河,湖泊水系豐富,要考慮載荷艙儀器設(shè)備的落水保護。

6.2.3 在回收辨識度方面,可以使用反光材料,如鋁箔等物品,或?qū)d荷艙用艷麗的色彩進行涂裝。如果使用本次實驗的紅綢帶等類似物品一定要捆綁好,以免影響降落傘開傘。夜晚環(huán)境下可以加裝閃爍燈或蜂鳴器。

6.2.4 載荷艙有可能會被其他人提前拾獲,可以在載荷艙寫上“科學(xué)研究物資,拾獲立付XXX元現(xiàn)金”并留下聯(lián)系方式,有助于載荷艙的回收。

7 其它注意事項

如果要施放探空氣球,國內(nèi)有《施放氣球管理辦法》,施放前請聯(lián)系當(dāng)?shù)乜展懿块T獲得批準(zhǔn),確保合法。