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同樣是氣球,為何你如此優秀——看看科學家們玩兒的氣球是什么樣子? 精選

已有 4624 次閱讀 2019-6-24 10:14 |個人分類:浮空器|系統分類:科普集錦| 氣球

氣球作為兒童玩具的形象早已深入人心,旅游景點附近販賣氣球玩具隨處可見。

1.jpg玩具氣球(圖片來源:http://tieba.baidu.com/p/6139525060)

稍微進階版的就是利用氣球能飛上天的原理載物?催^迪士尼動畫電影《飛屋環游記》的觀眾都對這個畫面印象深刻,主人公老爺爺用一大堆玩具氣球綁住自己的房子,實現了飛天的夢想。

《飛屋環游記》劇照(圖片來源https://item.jd.com/26654983774.html)

        這樣的飛天耗費氣球有點多,實現起來比較麻煩。

        實際上,用一個不太大的熱氣球就可以實現這樣的功能。“我想要帶你去浪漫的土耳其,然后一起去東京和巴黎……”每當聽到這句歌詞,都讓人忍不住想要去土耳其“浪漫”一下,感受乘坐熱氣球飛行的魅力。

2.jpg“浪漫的土耳其”的熱氣球(圖片來源:veer圖庫)

     以上我們介紹的都是普通人對氣球的玩法。那科學家又是怎么“玩”氣球的呢?


  •      科學家們怎么玩氣球?

        科學家常玩的一種氣球叫做系留氣球。相比于娛樂,系留氣球更注重科學作用,在科學考察,環境監測中正發揮著不可替代的重要作用。

       系留氣球,顧名思義,就是指氣球的下端有一根纜繩栓系著。乍一看,這不就是放風箏嘛。特別是最近出現的大型風箏還真有向充氣型發展的趨勢,不過它們不是像氣球一樣填充氦氣或者氫氣,而是填充空氣。

大型充氣風箏(圖片來源:https://mp.weixin.qq.com/s? src=11×tamp=1560260944&ver=1662&signature=Zhi4GIxz1yzpCdypVnX-Ipsd1ggFtPNuwbL-LZJlbC*kvb9JSqz-p4KS5AQd9HxwTmMtDzEy6x5tFwUi07-AnUDZ3n7fACRwjqrSM38K3uIPfnmgZB4eYSDq8aLgoqXY&new=1)大型充氣風箏

有同學可能會問,我們平時玩的玩具氣球也有一根繩子拴著,那它們屬于系留氣球嗎?其實,當我們用手牽著氣球的繩子的時候,可以勉強稱其為系留氣球;一旦我們松開了手,氣球飛向天空,那就成了自由氣球。

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當我們牽著玩具氣球的繩子時它是系留氣球(圖片來源:veer圖庫)6.jpg

當我們放開玩具氣球的繩子時它就是自由氣球(圖片來源:veer圖庫)

  • 造型不一樣,作用大不同

當然,這只是為了解釋名字方便?茖W家玩的系留氣球,它下面系著的纜繩不僅僅起到拽著氣球的作用,其實它是一根很有技術含量的纜繩。這根纜繩除了含有承受拉力的纖維,還有電纜和光纖,分別起到供電和通信的作用。為了達到氣球升空的要求,在滿足受力、輸電和光纖通信需求的前提下,還要做到重量盡可能輕。

這根纜繩學名叫做光電復合纜。有了它,系留氣球上的設備就可以通過系纜輸送電,實現地面電源供電,這樣設備就幾乎不受能源的限制,可以發揮它最大的優勢:長時間定點定高駐空。

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光電復合纜結構

(圖片來源:http://shop.ebdoor.com/Shops/3530739/Products/38045131.aspx)(形式跟上圖這個類似,但是上圖是地面用的光電復合纜,不需要考慮減重)

  • 這個氣球升到了7003米,創造了世界紀錄!

2019年5月9日起,我國自主研制的“極目一號”系留氣球在西藏第二大湖納木錯開展了多次高空觀測。6月1日早上5點40分,系留氣球上升到海拔6761米,順利完成了第7次高空觀測。這次系留氣球高空觀測任務,平均升空海拔近6800米,其中在5月23日凌晨6點01分,“極目一號“創造了同類系留氣球高空科學觀測的世界紀錄,上升到7003米。

中科院院士、第二次青藏科考首席科學家姚檀棟這樣介紹此次高空觀測創造的世界紀錄:“‘極目一號’系留氣球能夠上到7千米,去測大氣中的水汽穩定同位素,這在世界上是第一次,在青藏高原的觀測則有著更特殊的意義!

“這個地區是西風和季風相互作用的地區,而納木錯地區又是西風和季風相互作用的一個轉換地區。之前我們對于整個亞洲水塔(“亞洲水塔”指的是以青藏高原為主體的世界第三極,有眾多的高山山脈,分布著除南北極之外最大的冰川群,滋潤了數量眾多的河流和湖泊。)的水汽來源,對季風和西風起多大作用,都不是很清楚。通過將系留氣球至少上升到7千米觀測出的大氣中水汽穩定同位素值,我們發現這種水汽的輸送是從東南方向來的。這實際上超出傳統上我們對印度季風輸送高度的認識,在科學上肯定是新的發現!

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系留氣球在納木錯地區進行科考(圖片來源:中科院空天信息研究院浮空器研發中心 張泰華攝影)

  • 系留氣球最適合用于高原高空氣象觀測

系留氣球給青藏科考帶來的技術突破是顯而易見的。

之前,在高原地區的垂直剖面氣象觀測一直是一個難題?瓶缄爢T冒著嚴重高原反應的風險,使用牦牛將科研儀器馱到高原不同的高度進行觀測,這種方法受山地地形所限,所獲取的數據無論是時間和空間上都比較分散。

而且使用“肩扛牛駝”的方法,即使將儀器設備帶到較高海拔地點,仍然無法消除地表影響,以至于無法獲得相關海拔高度水汽同位素和黑炭等大氣成分的真實含量和變化,地面非接觸測量設備的測量誤差遠遠超出了相關組分的變化幅度。據說,牦牛到了海拔6500米,再往高處就“打死也不走了”!

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牦牛表示:這個鍋我不背……(圖片來源:veer圖庫)

  • 同是高空觀察,系留氣球行,直升機為啥不行?

系留氣球本次主要用于垂直剖面氣象觀測,即在同一地點不同高度分別駐留一段時間,采集氣象參數,分析氣象參數在該點不同高度的變化趨勢。

對于這類任務,理論上我們也可以使用直升機進行觀測。但是目前可以使用的高原型直升機表現最好的是軍用直18,最大極限升限為9000m。但如果要在青藏

高原地區進行高空氣象觀測,必須搭載超過100公斤的科學儀器,而且要長時間定點懸停采集數據,這對直升機來說要求就太高了。

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直18(AC313軍用版)(圖片來源http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.)

直升機飛行高度有限和它特殊的飛行方式有關,主要依靠槳葉在發動機的工作帶動下旋轉向下壓縮空氣而獲得升力。當產生的升力大于直升機總重時,直升機就可以成功起飛。而高原地區海拔高,空氣稀薄,此時直升機槳葉向下壓縮空氣時的效率將會下降,直升機飛行性能自然也明顯下降。

不使用直升機進行科考觀測,更重要的原因在于直升機的工作方式對周圍氣流產生了較大的擾動,這樣就會干擾到氣象數據的采集。而使用系留氣球觀測,本身沒有發動機之類的動力,對周圍環境的影響幾乎可以忽略不計,特別適合高空垂直剖面氣象參數觀測的任務。

  • 系留氣球和船一樣會“停泊”

系留氣球是依靠浮力升空的,載重要求越高,升空高度越高,系留氣球的體積就越大。

看到這里大家肯定會有一個疑問:這么大個氣球會不會被風吹跑?

答案是當然不會!

除了主系纜有很高的安全系數外,系留氣球系統的地面錨泊設施也起了重要的作用。

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大型船舶的船錨(圖片來源:veer圖庫)

錨泊這個詞是從船舶專業的錨泊一詞發展過來的。系留氣球錨泊設施的主要作用也和船舶上的錨泊設施類似,雖然形式上有所區別,但是兩者作用一致,都是起穩定固定作用的。

前者是為了固定氣球球體不被風吹跑,后者是為了穩定固定船體;前者的系纜長度可以通過主絞盤收放,后者錨鏈的長度可以根據水深需要收放調節。

系留氣球有兩個狀態,系留狀態和錨泊狀態。

系留狀態可以看作是它的工作狀態,氣球只被主系纜拽著,停留在需要的高度,這個時候氣球上的儀器設備就可以開始工作了。

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系留狀態的系留氣球(圖片來源:中科院空天信息研究院浮空器研發中心屈維攝影)

錨泊狀態可以視為待機狀態,氣球收回到錨泊平臺上,由頭部的鼻錐和兩側系索三點共同約束,這時氣球處于一個抗風能力更好的狀態,此時氣球上的科學儀器會關機,僅留有球體壓力控制的設備正常工作。

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系留氣球處于錨泊狀態(頭部鼻錐和兩側系索,共三點約束)

(圖片來源:中科院空天信息研究院浮空器研發中心祝榕辰攝影)

而且錨泊設施上有一個回轉平臺,可以由球體帶動自由轉動,使流線型氣球的頭部始終對著來風的方向,這樣氣球所受的風阻相對最小。

(圖片來源:中科院空天信息研究院浮空器研發中心屈維攝影)

所以,一旦遇到惡劣天氣,操作人員就會將系留氣球置于錨泊狀態以保證球體的安全。

本次納木錯試驗,是中科院空天信息研究院的系留氣球第6次在青藏高原地區進行科考作業。未來,我國將完成系統的“極目”觀測,實現對第三極生態、環境、資源、災害等過程的大范圍、多尺度、系統化、常態化監測,為科學研究和社會經濟發展提供精準數據。

下一步,科考隊將利用系留氣球繼續到青藏高原其他地區進行觀測,并有望挑戰更高的升空高度。


參考文獻:

[1]人民網軍事頻道.國產直-18直升機首次飛越珠峰 飛行高度達9000米[EB/OL].military.people.com.cn/.

[2]黃宛寧, 栗穎思, 周書宇, et al. 現代浮空器軍事應用[J]. 科技導報, 2017(15):22-29.

[3]新華社.7003米!我國自主研發的系留浮空器破高度紀錄[EB/OL].xhpfmapi.zhongguowangshi.com.





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