圈里人为你解惑：探空气球是哪样？

最近，确切地说，在9月25日(我们对科学普及是认真的)，中国科学院发生了一个“大事件”——一个科学实验气球丢失了，并提供了一个大的奖励发射群众“捕获和逮捕”。它也占据了主要网络媒体的头条。主要搜索引擎的条目达到了数百万，甚至引起了*电视台的关注。气球真的变成了“网络红”。

当时，我也受到各种“骚扰”(见下图)，因为“网红”气球来自中国科学院。为了不背锅，我只能一遍又一遍地“洗刷我的冤屈”。“网络红”气球来自lasg，而我来自中国科学院光电研究所。虽然两者都属于中国科学院，但有两个不同的研究所。

微信“骚扰”截图

此外，应该进一步澄清的是，净红色“气球”是一个系留气球(见下图)，即由地面绳索系留的浮空器，而不是网上提到的“空气探测球”。我的研究中心(微信公众“飞行器”)专门研究各种飞行器，包括飞艇、系留气球、高空气球等。以下是我在生活中学会的捡起“空气球”。

“红色网”气球(系留气球)

甚至有科研单位研究气球！

说到气球，人们肯定接触过最早能用嘴吹的彩色橡胶气球。他们一定也梦想过带着像“飞行屋之旅”这样的气球飞向天空。

也许每个人都很难将气球与科学研究联系起来，但中国科学院确实有一个气球研究中心(中国科学院浮空器系统研发中心)。你可能会想，中国科学院不是科学研究的地方吗？这个气球中心的任务是制作各种气球吗？如果你真的进入这里，你会发现这个气球不是另一个气球。高空科学气球属于浮空器的范畴，主要用于科学实验和各种高空任务。顾名思义，浮空器是一种主要依靠浮力作为主要升力来源的飞行器。这里的飞行试验通常是由数万或数十万立方米的高空科学气球进行的，这些气球肯定是各种各样的高层建筑。全国各地的人都想用嘴吹他们。

当然，高空气球不能用嘴吹，除非你是一个活生生的快速氦气发生器。首先，因为空气不能产生升力，目前的浮空器基本上使用氦；第二个原因是每次输送所用的氦气必须由卡车泵送，充气操作通常会持续几个小时。因此，浮空器与我们小时候玩的气球大不相同。然而，在参加了飞行试验之后，人们发现仍然有一些类似于玩具气球的东西，也就是今天将要介绍的空气探测器。

探空气球

空气探测器的前世

空气探测器，顾名思义，是一个用来探测天空的气球，专门用来探测从地面到几十公里高的大气空间参数。在飞行大型浮空器，特别是高空浮空器之前，仅靠气象数据无法判断分布窗口，也无法很好地规划飞行路线，因此有必要预先分布一系列的空气探测球，并利用它们的数据进行分析和预测。说到探测气球，学习气象学的人并不陌生。世界各地的许多气象站几乎每天都发布探测气球，以获取从地面到几十公里高的大气垂直廓线的参数。

空气探测器在20世纪20年代投入实际使用，到目前为止，它们几乎没有什么根本性的变化。探测器可以直接测量大气压力、温度、湿度、风速和从地面到30多公里高度的方向。它们既便宜又容易分发，非常适合各地气象站的广泛使用。直到今天，空气探测器仍然是高空气象最重要的直接探测方法之一，因为它成本低，操作简单，上升速度慢。你没听错，在大气的垂直剖面上快速获取密集的数据点真的不好，特别是对于直接测量风层中的风场。由于成本低，为了更准确地获得气象数据，许多空气探测器可以任意分配，一个在早上，一个在晚饭后，一个用于休闲娱乐，一个用于家庭团聚。开玩笑，实际上，每个空气探测球的分配时间和气球的数量都是严格按照计算要求来执行的。毕竟，如果你愿意，气球可以被释放。

发放空气探针球

探测气球基本上是一个橡胶气球，它的原材料是天然橡胶胶乳，它比任何化学合成物质都具有更优异的伸长特性，并且它在一个方向上的伸长可以超过500%。这一特性的原因是橡胶是一种聚合物，其中异戊二烯分子纵向排列成链状结构。当橡胶分子不受外力影响时，它是一条具有大量弯曲的长链，因此当外力作用在橡胶上时，分子链可以在很大程度上被拉伸。外力撤除后，橡胶恢复到原来的状态。当向橡胶中添加硫进行硫化处理时，添加的硫在相邻的长链之间形成交叉键，这改善了橡胶的弹性变形特性。当橡胶气球充满地面上漂浮的气体后，它逐渐呈现出一个正常的球体。当气球上升时，材料不断拉伸，球体的表面积不断增加。当气球达到膨胀极限时，它会爆炸，从而结束飞行过程。

爆炸橡胶气球(截图来源:谷歌龙)

橡胶气球的尺寸受到制造方法的限制，而且它们的有效载荷通常很小。橡胶气球的质量通常在几百克以内，探测器的质量通常在一公斤以内，可以用一只手分配。根据充气量，可以控制气球的上升速度，还可以确定气球的探测高度。因为填充的气体越多，加速度越快，但是到达膨胀极限的高度越低，并且破裂前的检测高度越低。因此，在实际使用中，应根据检测高度和提升速度(检测老化)的要求来确定充气量。当然，这种方法仅限于特殊的用例。气象站在使用时有一套成熟的操作规范，只要它们遵循它们。至于分配方法，当风小的时候，你可以说任何事情。把气球举起来，然后放弃它。当风很大时，这取决于你小脑的速度和协调性。当气球升得越来越高时，这就成了每个人再次锻炼视力的好时机。当它最终变成一个小点时，他们眨眼就找不到了。

天空中的气球在哪里？转眼间，消失了

空气探头内设有大气参数测量装置和全球定位系统定位装置，还设有电源。通过地面站天线跟踪空气探测球，并获得返回数据。大气参数检测一般包括较大的气温、湿度和当地大气压力，而利用全球定位系统定位装置获取位置和位置变化，从而计算高度、加速度、水平风速和风向等。通常在气球和探空仪之间系一根长拉绳，其长度一般在十几米到几十米的范围内，以防止探空仪随气球大幅度摆动而影响全球定位系统数据。当然，在某些情况下，探测器也可以直接连接到球体底部，这取决于探测要求。

探测器

探测器完成任务后会爆炸并*下落。由于探头本身重量极轻，外部通常覆盖着厚厚的泡沫，因此会产生很大的阻力。除了气球中残余碎片的阻力之外，整个系统的着陆速度会相对较慢，至少不会对地面人员构成威胁。尽管如此，空气探测球的分发应该尽可能在人口稀少的地方进行，因为你可以想象当孩子们捡起一个从天上掉下来的方形小盒子时的感受。气球和探测器一般不回收，因为成本太低。当然，如果你幸运的话，你可能会在离配送点不远的地方摔倒，这样你出去散步的时候就可以把它捡起来。

近年来，许多大学生甚至爱好者已经使用空气探测器完成了各种各样的“临近空间”飞行。所谓邻近空间，即人类活动的大气区域和外层空间之间的空间，一般定义为20至100公里的高度。空气探测球可以携带数百克甚至数公斤的小型无线电设备或其他电子设备，可以携带一个保温后用于航空摄影的小型摄像机，也可以配备一个小型摄像机来记录起飞过程和下降过程的第一视角。当然，你必须在气球和设备之间安装一个降落伞，并植入一个定位系统，以便完全收回它。甚至有人在气球底部安装了自动排气系统，使气球达到一定高度后自动排气，以达到漂浮重量平衡，从而完成水平飞行。简而言之，气球就像高中物理实验中常见的实验平台。你可以发挥你的聪明才智，想出各种飞行和实验方法并付诸实践。探索科学的同时，你可以享受它们。

留学生自制自动排气系统液位设定及飞行装置

网友自制空气探测球航空摄影系统

平流层拍摄的地球图像

附言:

空气探测器的应用只能停留在科学探索和爱好的水平？不。美国军方已经投资了数千万美元在由太空数据公司开发的“战斗天空卫星”系统上，该系统使用这种小型空中探测器将通信中继设备带到20公里的高度，为地面部队提供通信支持。

美国士兵释放“战斗之星”气球

浮空器的军事应用历史悠久。浮空器的特点之一是体积大、飞行速度慢，更适合军事上的防御或支援场合。即便如此，浮空器也逃脱不了被用作攻击性武器的命运，例如，从第一次世界大战期间齐柏林飞船对英国的纳粹轰炸到第二次世界大战期间日本对美国的洲际气球炸弹。

但是气球仍然被更多地用于造福人类。同一个空间数据公司还开展了另一个气球民用项目:“天空站点”项目，该项目利用空中探测球将通信载荷运送到20公里的高度，为美国在非洲的石油和天然气公司提供通信信号，信号覆盖率优于地面发射塔。这个低成本的“空中基站”为这些公司节省了大量费用。说到这个计划，每个人可能都不熟悉，但近年来的谷歌热气球项目龙实际上是基于“天坛”的设计理念。这两家公司最初打算合作，但后来分道扬镳了。当然，谷歌的气球已经比空气探测器先进了许多倍。

工程人员发放“天坛”气球

俗话说，如果一个人读佛，一个人读魔术，科学和技术可以造福人类，也可以夺取人的生命。一切都取决于操作它的人。作为设计者和使用者，我们所能做的就是为了人类的利益，最好地利用这些工具，但是当国家主权受到侵犯，人性受到威胁时，我们会毫不犹豫地使用一切可能的力量来保卫自己，攻击敌人。

作者:

朱:中国科学院光电子研究所气球运载工具研究中心/中国科学院浮空器系统研究开发中心工程师

徐文宽:中国科学院光电子研究所气球运载工具研究中心/中国科学院浮空器系统研发中心高级工程师