中国“流浪气球”狂飙的背后藏着哪些科研功用？

出品|网易新闻

导语：提到气球飘上天空，很多人或许会联想到《飞屋环游记》里众多五颜六色气球的场景。若不是近期我国两只高空气球在北美洲“狂飙”，可能大家并未能联想到“小气球”还能如此“高大上”。我国科研气球到底发展到什么水平，除了大气探测，它又有哪些科研功用？

一、“流浪气球”的百年宿命：搞“科学”

早在18世纪，气球就被应用于包括大气物理在内的科研领域。1783年，人类完成了首次氢气球载人飞行，并搭载了气压计、温度计等设备用于大气探测，由此翻开了气球的探空历史。1902年德国气象学家阿斯曼首次提出用橡胶气球来探测大气，1927年苏联气象学家研究出无线电探空仪法，使气球探空技术实用化。近年来，人们通过新闻与社交媒体，逐步认识到各种科研气球的存在。

1783年-人类首次完成氦气球载人探空 图源：壹图网

1955年中国也研制成第一只探空气球。经历一个甲子开支散叶后衍生出多个家族成员。此次“流浪气球”事件中的主角就是一只典型的高空气球（也称为定高气球、平飘气球），它的工作高度通常在离地表10公里至50公里的高度；不仅仅是飘得高，能在一定时间内保持较高高度、并作一定距离平飘运动更是基本功。早在1990年中国就实现了其72小时四千余公里的长时间跨国飞行功能。

应用规模更广的快升式气球工作于10--30千米的高度，轨迹上只需带着探测设备快速上升用于探测垂直面上的大气数据，到达相应高度后在气压等作用下破裂便完成了使命，因此也受限于放飞地上那“一亩三分”的活动空间。此外，它们还有一个形态类似飞艇的异形兄弟——系留气球（浮空艇），它最大的特点是在升空后通过缆绳将其拴在地面绞车或其他锚泊设施上，并通过调整缆绳长度控制其升空高度，因此它距离放飞地表高度通常仅数千米，并可反复回收使用。

我国也用这类气球创下多个纪录：2022年“巅峰使命”珠峰科考中，我国科学家完成10次升空大气科学观测，最高升空至9050米，创造了系留气球原位大气科学观测的世界纪录。

高空气球

直升气球 图源：中航工业官网

系留气球

除本次“气球事件”中的高空气球外，探空气球还发展出可重复使用的系留气球与使用成本仅千元、可重复使用的快升气球。

二、“纯天然”到“科技狠活”，小气球经历了什么

探空事业早期的气球都是“天然造”。无论是19世纪前的内脏、皮革，还是此后到20世纪中叶的天然乳胶。让气球越来越充满“科技狠活”的源头就在于石化技术的发展。

科技狠活儿-乳胶气球

普通橡胶由于拉伸特性，随着高度攀升、气压降低，气球内与外界压差越来越大，到达一定高度就因到达拉伸极限而爆裂；上千公里随风“狂飙”中还要不断应对高空风速梯度剪切力的考验；而数天甚至数十天的旅途更需要它能耐得住高空零下数十度引发材料低温脆化问题。因此对气球材料拉伸强度、抗撕裂强度、 韧性、低温性能等都有较高的要求。此次事件中的“流浪气球”已不是橡胶气球所能及的。

70年代后，国内外均转向为其能适应长时间高空环境下作业的非膨胀性的薄膜塑料面料，如低密度聚乙烯材料，让气球膜体厚度与重量大幅减轻，仅用20多微米厚度即能承受数百千克甚至1吨载重。

90年代后，国内进一步改进的线性低密度聚乙烯薄膜材料和含氟树脂多层复合薄膜共挤薄膜，性能较传统聚乙烯材料有了进一步提升，其极限拉伸率提高超过30%，埃尔门多夫撕裂性达2-3倍以上。更能适应漫长旅程的温差变化，可耐高低温、长期使用温度在150℃~150℃范围内，抗紫外线老化能力更强。这也是我国此次两颗气球能在数万米高空“流浪”许久的奥秘之一。非膨胀性薄膜材料的推陈出新让我国高空气球不断做大。

非膨胀性薄膜材料

非膨胀性薄膜材料

三、“流浪气球”如何聆听天空之声

探空气球重要的是获取从地面到数万米的各种参数。比如分布全球各地的1200多个探空气象站，每天会在世界时0时、12时进行两次释放（一次性快升式探空气球）以搜集这些数据。对探空气球来说，无论哪种形态，最核心的自然还是各类探测设备。

全球探空气球站分布图-中国占1/10-参与7成全球大气数据

最基础的温度、气压、空气湿度等大气参数就是依靠气球下一个像小盒子的装置——探空仪获得。

1956年我国研制成功机械式探空仪，并发展出机电式59型探空仪，成为此后半个世纪大气观测的主力之一。但机电式探空仪灵敏度低，温度、辐射误差和滞后系数大，2002年开始中国气象局逐渐将其升级为GTS型数字探空仪，探测灵敏度与采取速率极大提高。当气球从0到30千米、以400米/分钟的速度升空时，探空仪就犹如一个CT扫描仪，以每1.2秒/次速度低空到高空逐层扫描。

国产59型探空仪 图源：中国气象网

国产GTS型数字探空仪 图源：中国气象网

对风向、风速等高空风的测量，探空气球则不完全“单打独斗”。60年代我国研发出P波段701型雷达，通过跟踪探空气球挂载的无线电信标测算漂移、空间的仰角方位等来观测风向风速，并实时接收探空仪发送的数据信号，到本世纪初又开发出精度更高的L波段二次测风雷达。

国产701雷达 图源：中国气象网

国产L波段测风雷达 图源：中国气象网

当然，此次跨越洲际的国产高空气球已经明显超过了地面雷达辅助测量的距离（通常在200km）。2016年以来，我国先后攻克多通道双向通信接收设备、高精度气象专用北斗导航芯片，使高空气球通过导航卫星即可通过运动轨迹记录解算沿途的风速、风向等信息，其作业范围越来越广、探测时间越来越长。多重技术加持使我国各型高空气球支持的探空站网络精度也越来越高，预报数据可用率从上世纪末的40%提高90%，风分析场标准差减小约2%，风、湿度和高度测量结果已对标世界气象组织探空观测的最高目标。

四、“把脉天空”之余，“流浪气球”还有新任务

随着我国科研气球越造越大、飘得越来越高、载荷能力越来越强，“天空之眼”的眼界越来越广，自上世纪末，它就带着太阳红外观测望远镜实现我国对脉冲星周期的首次测量。同时，也搭载着硬X射线调制望远镜解决了过去X/γ射线天文观测的难题，有关探测与技术验证成果成为日后我国“慧眼”号天文卫星的先声。

2018年，中科院更是启动了“鸿鹄”专项计划，通过高空气球搭载相关设备开展临近空间环境和生态系统综合科学探测任务。迄今已发放十余个高空气球，取得了一批重要科学数据。

即将参加“鸿鹄”专项的高空气球

除了空间探测，神舟四号飞船所搭载微重力实验设备的先期验证工作，以及近年来针对国内各种航天器和临近空间飞行器太阳电池的空间标定测量也都借上高空气球的东风，甚至连发射任务都能看到它的身影。

去年4月，科研单位将高空零压氦气球改造为临近空间空基发射平台，带着数百公斤重探空火箭飞至数十万米高的同温层，通过遥控实现空中点火发射；同年9月，这一指标再次刷新，完成载重能力1.2吨、飞行高度30千米重载飞行，之后又投入到一些大尺寸无人机、火箭等飞行器的临近空间发射任务中。

即将升空的临近空间空基发射平台火箭

结语：

经过十几年发展，我国各类科研气球技术已较为成熟并达到了一定水平，它的业务也不再局限于大气物理领域，在气球空间天文、微重力科学、空间生物和育种等方面也取得了多项研究成果。未来，随着我国气球技术的发展，“气球们”会在更高、更远处替我们凝望世界的天空。

参考文献：

[1] 《探空气球：为高空气象“搭脉”的医者》.中国气象报.

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

[2] 《浮空平台科学实验专题一——气球科学观测100年（下）》.现代物理知识杂志.

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

[3] 肖迪娥， 张望. 气象气球的现状和发展趋势（一）[J]. 中国橡胶， 2009, (9):

[4]宁荣，王文剑. 临近空间浮空器聚乙烯薄膜超压气球球体设计[J].科技与新.2019,(4).