高空科学气球

高空科学气球

高空科学气球又称平流层气球，是近30年来逐步发展起来的进行高空科学观测或实验的一种运载工具。它的飞行高度虽然不如卫星，但却比飞机高得多，一般可达40~50km。由于高空气球造价低廉、组织飞行方便、试验周期短，因此越来越受到科学工作者的青睐，并被广泛应用于高能天体物理、宇宙线、红外天文、大气物理、大气化学、地面遥感、高空物理、生理、微重力实验等方面的研究，同时也大量应用于外层空间宇宙设备的预研和试飞以及军事方面等。

高空气球的球体，大都用高压聚乙烯材料所作的球膜经热压熔焊制成，膜厚仅20μm 左右，其低温性能和抗拉伸强度却非常好。为提高载重能力，大型气球沿其母线还加有尼龙加强筋。球体形状多为自然形，采用所谓零压式，即在球体下部留有排气管使内外相通，压差为零，用以防止气球升空后球内压力增大把气球涨破。气球内部充以氢气，有的充以氦气。氢气的浮力大、价格低廉，但易燃易爆，必须在严密的安全措施下使用。氦气的浮力比氢气小，安全，但价格昂贵，不宜大量使用。气球的体积根据载重能力和升限的要求不同而定，载重量越大，升限越高，要求体积越大。一般，由几千米3到几十万米3，甚至超过百万米3；载重量由几十公斤到上百公斤，甚至超过一吨；升限在35~45km，及至超过50km。

高空科学气球系统的构成见图1所示，球体内充以浮升气产生浮力，切割器用在实验结束后分离球体。球体和系统分离后，由降落伞把系统的其余部分安全地降落到地面上，以便回收。角反射器的作用是反射地面雷达波以便于识别和跟踪，探空仪不断探测大气的温度、湿度、压力等气象要素，并由无线电发射机发回到地面，由地面测风雷达接收并记录，同时也便于地面雷达天线跟踪。信标机的作用是在吊舱等设备降到地面后发出无线电信号以引导回收人员进行回收。根据不同实验的需要，实验吊舱内可安装各种仪器仪表，并安装有遥测发射机、遥控指令接收机和相应的终端设备等。

利用高空气球进行科学实验，一般由制定计划、装配吊舱、设备调试、现场联调、气球发放、空中飞行、切割降落、地面回收等许多环节组成。

气球发放必须在专用场地进行。发放方法有静态、动态和软式发放等几种。静态发放是把实验吊舱置于地面或平板拖车上，调整好吊舱与气球的相对位置和距离，在风比较小时使吊舱尽可能垂直起飞。此法使用的设备简单，但不很安全，动态法比较安全，但需要专用吊车和较大的发放场地。软式发放是先用一个辅助气球把吊舱吊起并系留地面，待主气球起飞后再释放辅助气球，当绳缆拉直后两者自动脱离，此法安全，不需大场地，但辅助气球必须充氦气。

发放气球还需配有专用的充气设备，由于高空空气稀薄，气压很低，一般几十万米3

体积的气球，在地面只需充几百米3的浮升气，当升入高空后即可被涨满。为了控制气球的高度和升速，在气球顶部装有排气阀，吊舱内装有压舱物（铁砂等），由地面指令控制排气阀开关或抛砂，达到控制气球的高度来控制其飞行方向（高空各层风向不同）。气球起飞后，可由地面的遥测、遥控设备进行跟踪和控制，随时测量气球的位置，并计算出它的高度和水平距离。

遥测系统包括球上设备（遥测终端、遥测发射机）和地面设备（遥测天线及驱动系统、遥测接收机、遥测接收终端、记录设备等），该系统的作用是把观测到的科学数据或实验数据由无线电信道传到地面。一般快速续信号的传送采用FM-FM遥测体制，较慢的信号或者

工程参数采用PCM-△PSK-FM体制，两种体制也可混合使用。连续信号可由笔录仪进行记录，数字信号大都通过计算机进行采集和处理。

遥控系统包括指令操作台、指令发射机、遥控天线及随动系统、气球上的遥控指令接收机、指令终端及执行机构等。本系统的功能是控制气球的飞行和观测设备的动作，或对科学实验设备及过程进行控制。

跟踪定位系统主要由地面天线及测角、测距等设备组成。地面跟踪天线可以自动跟踪气球，天线的方位角和仰角可通过测角系统传递到计算机进行采集和记录，气球到地面站的直线距离是通过利用遥测、遥控信道传输测距音频并测量其传输相移来进行测量的，知道了气球的方位、仰角和距离，就可计算出它的高度，这样就可以随时掌握气球在空中的位置以及切割后下降到地面的大致区域。

空中观测或实验任务完成后，由地面人员发出指令，使球体与系统分离，由降落伞带着吊舱等设备落到地面，同时信标机发出无线电波引导回收人员进行回收。