中國“流浪氣球”狂飆的背后藏著哪些科研功用？

出品|網易新聞

導語：提到氣球飄上天空，很多人或許會聯想到《飛屋環游記》里眾多五顏六色氣球的場景。若不是近期我國兩只高空氣球在北美洲“狂飆”，可能大家并未能聯想到“小氣球”還能如此“高大上”。我國科研氣球到底發展到什么水平，除了大氣探測，它又有哪些科研功用？

一、“流浪氣球”的百年宿命：搞“科學”

早在18世紀，氣球就被應用于包括大氣物理在內的科研領域。1783年，人類完成了首次氫氣球載人飛行，并搭載了氣壓計、溫度計等設備用于大氣探測，由此翻開了氣球的探空歷史。1902年德國氣象學家阿斯曼首次提出用橡膠氣球來探測大氣，1927年蘇聯氣象學家研究出無線電探空儀法，使氣球探空技術實用化。近年來，人們通過新聞與社交媒體，逐步認識到各種科研氣球的存在。

1783年-人類首次完成氦氣球載人探空 圖源：壹圖網

1955年中國也研制成第一只探空氣球。經歷一個甲子開支散葉后衍生出多個家族成員。此次“流浪氣球”事件中的主角就是一只典型的高空氣球（也稱為定高氣球、平飄氣球），它的工作高度通常在離地表10公里至50公里的高度；不僅僅是飄得高，能在一定時間內保持較高高度、并作一定距離平飄運動更是基本功。早在1990年中國就實現了其72小時四千余公里的長時間跨國飛行功能。

應用規模更廣的快升式氣球工作于10--30千米的高度，軌跡上只需帶著探測設備快速上升用于探測垂直面上的大氣數據，到達相應高度后在氣壓等作用下破裂便完成了使命，因此也受限于放飛地上那“一畝三分”的活動空間。此外，它們還有一個形態類似飛艇的異形兄弟——系留氣球（浮空艇），它最大的特點是在升空后通過纜繩將其拴在地面絞車或其他錨泊設施上，并通過調整纜繩長度控制其升空高度，因此它距離放飛地表高度通常僅數千米，并可反復回收使用。

我國也用這類氣球創下多個紀錄：2022年“巔峰使命”珠峰科考中，我國科學家完成10次升空大氣科學觀測，最高升空至9050米，創造了系留氣球原位大氣科學觀測的世界紀錄。

高空氣球

直升氣球 圖源：中航工業官網

系留氣球

除本次“氣球事件”中的高空氣球外，探空氣球還發展出可重復使用的系留氣球與使用成本僅千元、可重復使用的快升氣球。

二、“純天然”到“科技狠活”，小氣球經歷了什么

探空事業早期的氣球都是“天然造”。無論是19世紀前的內臟、皮革，還是此后到20世紀中葉的天然乳膠。讓氣球越來越充滿“科技狠活”的源頭就在于石化技術的發展。

科技狠活兒-乳膠氣球

普通橡膠由于拉伸特性，隨著高度攀升、氣壓降低，氣球內與外界壓差越來越大，到達一定高度就因到達拉伸極限而爆裂；上千公里隨風“狂飆”中還要不斷應對高空風速梯度剪切力的考驗；而數天甚至數十天的旅途更需要它能耐得住高空零下數十度引發材料低溫脆化問題。因此對氣球材料拉伸強度、抗撕裂強度、 韌性、低溫性能等都有較高的要求。此次事件中的“流浪氣球”已不是橡膠氣球所能及的。

70年代后，國內外均轉向為其能適應長時間高空環境下作業的非膨脹性的薄膜塑料面料，如低密度聚乙烯材料，讓氣球膜體厚度與重量大幅減輕，僅用20多微米厚度即能承受數百千克甚至1噸載重。

90年代后，國內進一步改進的線性低密度聚乙烯薄膜材料和含氟樹脂多層復合薄膜共擠薄膜，性能較傳統聚乙烯材料有了進一步提升，其極限拉伸率提高超過30%，埃爾門多夫撕裂性達2-3倍以上。更能適應漫長旅程的溫差變化，可耐高低溫、長期使用溫度在150℃~150℃范圍內，抗紫外線老化能力更強。這也是我國此次兩顆氣球能在數萬米高空“流浪”許久的奧秘之一。非膨脹性薄膜材料的推陳出新讓我國高空氣球不斷做大。

非膨脹性薄膜材料

非膨脹性薄膜材料

三、“流浪氣球”如何聆聽天空之聲

探空氣球重要的是獲取從地面到數萬米的各種參數。比如分布全球各地的1200多個探空氣象站，每天會在世界時0時、12時進行兩次釋放（一次性快升式探空氣球）以搜集這些數據。對探空氣球來說，無論哪種形態，最核心的自然還是各類探測設備。

全球探空氣球站分布圖-中國占1/10-參與7成全球大氣數據

最基礎的溫度、氣壓、空氣濕度等大氣參數就是依靠氣球下一個像小盒子的裝置——探空儀獲得。

1956年我國研制成功機械式探空儀，并發展出機電式59型探空儀，成為此后半個世紀大氣觀測的主力之一。但機電式探空儀靈敏度低，溫度、輻射誤差和滯后系數大，2002年開始中國氣象局逐漸將其升級為GTS型數字探空儀，探測靈敏度與采取速率極大提高。當氣球從0到30千米、以400米/分鐘的速度升空時，探空儀就猶如一個CT掃描儀，以每1.2秒/次速度低空到高空逐層掃描。

國產59型探空儀 圖源：中國氣象網

國產GTS型數字探空儀 圖源：中國氣象網

對風向、風速等高空風的測量，探空氣球則不完全“單打獨斗”。60年代我國研發出P波段701型雷達，通過跟蹤探空氣球掛載的無線電信標測算漂移、空間的仰角方位等來觀測風向風速，并實時接收探空儀發送的數據信號，到本世紀初又開發出精度更高的L波段二次測風雷達。

國產701雷達 圖源：中國氣象網

國產L波段測風雷達 圖源：中國氣象網

當然，此次跨越洲際的國產高空氣球已經明顯超過了地面雷達輔助測量的距離（通常在200km）。2016年以來，我國先后攻克多通道雙向通信接收設備、高精度氣象專用北斗導航芯片，使高空氣球通過導航衛星即可通過運動軌跡記錄解算沿途的風速、風向等信息，其作業范圍越來越廣、探測時間越來越長。多重技術加持使我國各型高空氣球支持的探空站網絡精度也越來越高，預報數據可用率從上世紀末的40%提高90%，風分析場標準差減小約2%，風、濕度和高度測量結果已對標世界氣象組織探空觀測的最高目標。

四、“把脈天空”之余，“流浪氣球”還有新任務

隨著我國科研氣球越造越大、飄得越來越高、載荷能力越來越強，“天空之眼”的眼界越來越廣，自上世紀末，它就帶著太陽紅外觀測望遠鏡實現我國對脈沖星周期的首次測量。同時，也搭載著硬X射線調制望遠鏡解決了過去X/γ射線天文觀測的難題，有關探測與技術驗證成果成為日后我國“慧眼”號天文衛星的先聲。

2018年，中科院更是啟動了“鴻鵠”專項計劃，通過高空氣球搭載相關設備開展臨近空間環境和生態系統綜合科學探測任務。迄今已發放十余個高空氣球，取得了一批重要科學數據。

即將參加“鴻鵠”專項的高空氣球

除了空間探測，神舟四號飛船所搭載微重力實驗設備的先期驗證工作，以及近年來針對國內各種航天器和臨近空間飛行器太陽電池的空間標定測量也都借上高空氣球的東風，甚至連發射任務都能看到它的身影。

去年4月，科研單位將高空零壓氦氣球改造為臨近空間空基發射平臺，帶著數百公斤重探空火箭飛至數十萬米高的同溫層，通過遙控實現空中點火發射；同年9月，這一指標再次刷新，完成載重能力1.2噸、飛行高度30千米重載飛行，之后又投入到一些大尺寸無人機、火箭等飛行器的臨近空間發射任務中。

即將升空的臨近空間空基發射平臺火箭

結語：

經過十幾年發展，我國各類科研氣球技術已較為成熟并達到了一定水平，它的業務也不再局限于大氣物理領域，在氣球空間天文、微重力科學、空間生物和育種等方面也取得了多項研究成果。未來，隨著我國氣球技術的發展，“氣球們”會在更高、更遠處替我們凝望世界的天空。

參考文獻：

[1] 《探空氣球：為高空氣象“搭脈”的醫者》.中國氣象報.

http://ah.weather.com.cn/tqyw/10/2785887.shtml

[2] 《浮空平臺科學實驗專題一——氣球科學觀測100年（下）》.現代物理知識雜志.

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwNzg3NTM4Nw==&mid=2247487188&idx=2&sn=3473e05aa7ad786db461cdfc073184c0&chksm=970af280a07d7b967dca10b4304ad22b22764617d1405df7b956459f91a012b8b8fb6e835cc3&scene=27

[3] 肖迪娥， 張望. 氣象氣球的現狀和發展趨勢（一）[J]. 中國橡膠， 2009, (9):

[4]寧榮，王文劍. 臨近空間浮空器聚乙烯薄膜超壓氣球球體設計[J].科技與新.2019,(4).