浮空艇：别样的空中“大白鲸”

中国自主研发的浮空艇，是世界首个登顶珠峰的自主导航无人机，3个小时内突破珠峰高度，达到9032米，创造了世界纪录。

在皑皑雪山之上，在海拔9000米的高空中，飞来一只神秘的白色“鲸鱼”。它来自哪里？它为何来到珠峰之上？它的使命又是什么？

你肯定听说过潜水艇，然而这艘看起来白白胖胖、实则很能飞的大型“舰艇”，你是不是第一次听说？在我国第二次青藏高原综合科学考察中，由中国科学院空天信息创新研究院研制的浮空艇创造了多项科考纪录，吸引了公众的视线——“极目一号”Ⅲ型浮空艇平台搭载众多科考仪器及设备，打破同类型浮空器的升空观测高度世界纪录，获得了珠峰地区大气水汽传输和温室气体垂直变化过程的关键科学数据。

[古老航空器迎来新发展]

浮空器是一种古老的航空器，是人类想翱翔天空、征服蓝天最早使用的航空器。气球、飞艇这些浮空器出现的时间比飞机要早很多，虽然随着飞机技术的不断发展，浮空器因为技术因素和时代因素等逐渐从大众的视野里消失，但它所具有的载重大、驻空时间长、控制和操作成本低等明显优势，是其他航空器所不具备或难以比拟的。因此，科学家们一直在潜心研究、积累技术，期待让它再次蝶变。

浮空器以空气浮力作为升力或主要升力。它最主要的特点，是通过填充轻于空气的气体比如说氦气、氢气或热空气来产生浮力，我们最熟悉的浮空器是热气球。

浮空器按照有无动力分为两大类：有动力的叫飞艇，没有动力的叫气球。而气球又可以按照有没有约束分为两大类：一类没有约束的称为自由气球，部分热气球就属于自由气球，还有在气象观测中常常用到的高空气球也属于自由气球；另一类叫系留气球，人们通过它下面一根比较长的系缆来将其约束在一定的空域，“极目一号”就属于系留气球。

2017年8月19日，我国启动了第二次青藏科考的考察活动，构建了保障“亚洲水塔”水安全的“极目”监测预警系统，包括“极目一号”浮空艇的三维观测体系、“极目二号”冰崩灾害监测预警体系、“极目三号”冰湖溃决灾害监测预警体系，以及“极目四号”拉萨地球系统多维网等。

“极目一号”家族目前有两兄弟，大哥“极目一号”I型早已声名显赫，是各大主流媒体和新闻联播的常客。作为小弟的“极目一号”Ⅲ型浮空器，是在I型的基础上发展而来的“火力加强版”。它的驻空高度达到了9050米的高度，创造了浮空艇大气科学观测世界纪录。

在青藏高原科考，为什么要用“极目一号”这种特殊的浮空器？这是因为在高原地区，垂直剖面的气象观测一直是一个难题，科考人员必须冒着严重的高原反应的风险，使用牦牛将科研仪器驮到不同高度的地方进行观测。这种方法受山地地形的限制，数据准确度不高。而到了6500米以上的地方，牦牛也会产生高原反应不想走了，所以6500米高度以上的垂直剖面气象观测还是一个空白。

使用“极目一号”浮空艇，则具有以下优势：一是飞得高，可以搭载100千克以上的科学仪器升空到9000米的高度；二是定得住，可以在指定的高度定点持续观测气象数据；三是测得准，由于浮空艇属于无动力浮空器，对大气无扰动，测量的大气参数准确，所以特别适合第二次青藏高原科考的高空观测。

[升空背后的科学原理]

“极目一号”下面有一根长长的系缆，这种方式有点像放风筝。但它跟风筝升空的原理又不太相同。放风筝必须有风，是因为风筝是通过流动空气经过物体上下表面时因流速不同所产生的压力差来升空的，其原理即著名的伯努利原理。

浮空艇的升空原理则是阿基米德定律：就是浸没在液体或气体中的物体受到一个竖直向上的浮力作用，这个浮力的大小等于该物体所排开的液体或气体所受的重力。这也是浮空器设计的一个最基本的公式。根据需要搭载的载荷重量、升空的高度，再考虑浮空艇的系缆重量，就可以计算出浮空艇基本需要多大的体积。

浮空艇如大鲸鱼一般的造型，是为了保证它在遇到大风时只会被风吹得水平移动，而不会上下起伏翻滚。它的尾部有三个尾翼，这样可以保证它在遇到不同风向时能快速转向，头部始终冲着风来的方向，能保证风阻最小。

“极目一号”设计的抗风指标是9级，根据驻空高度的空气密度和风速，能够算出其内外部的压力差可以达到245帕。当然这只是一个基础的压力。实际工作中它受到的压力比这个还要大，因为除了抗风，它下边还要挂载重物。如果没有足够的压力，很容易出现应力集中，对气囊体造成损伤。我们需要让气囊体保持一定压力，使重力造成的力均匀地分布在各个连接点上，这样才能保证气囊体的安全。

有了压力之后还要自我调节，浮空艇有两个气囊，除了充氦气的主气囊，其“腹部”下方还有一个小的副气囊。副气囊是充空气的，通过调节副气囊的空气垫就可以调节压力。

浮空艇的主系缆，作用主要是约束浮空艇的球体，此外它还有很多组成部分，包括光纤，用来传输数据，以及供电的电缆，用来从地面传输电力。浮空艇的驻空时长有两个限制条件：第一个是空域，一般批复的空域使用时间都在晚上，因为白天民航飞机的国际航线会经过该空域；第二个是浮空艇的浮力，因为浮空艇长期驻空会有氦气泄漏，造成浮力减小。驻空时长如果没有空域的限制，可以超过15天。

[多元应用，未来可期]

目前，系留气球在民用领域已经逐渐开始应用，场景也从平原拓展到高原，从陆地拓展到海洋。从2017年开始，中国科学院在西藏的鲁朗、纳木错、珠峰大本营等地开展了8次高原大气垂直剖面的观测，工作地点平均海拔高度都在4000米以上，4次打破了浮空艇驻空观测的世界纪录。

浮空艇可以进行大气雾霾监测，因为雾霾大多是在没有风的静稳天气中产生，而这正是浮空艇最适合升空的条件。雾霾监测需要垂直剖面的分层采样，要分析污染颗粒物的来源，就需要在不同高度停留，这也非常适合用浮空艇来做。在重点区域的安防监控当中，浮空艇可以发挥高度优势，搭载光电雷达，对区域内目标进行一览无余的监测。2010年上海世博会，浮空艇就开展过这样一次应用。

浮空艇在海洋中也有很多的应用。近些年多次赴西沙、南沙、舟山、三亚、青岛的海域开展了系留气球船基作业，填补了我国船基系留气球应用的空白。应急通信项目有很多海上应用场景，包括海上搜救与救援，比如说发生翻船事故或有船只遇险，需要对人员进行搜救等。这种情况下海事局需要组织周边船只进行救援，不管是渔船还是科研船只，都需要接受指挥、协调、调度并保持应急通信不间断。通过船载系留气球，可以很好满足这样的使用场景。

由中国科学院空天院研制的系留气球平台，已在城市、平原、高原、草原、沙漠、海洋、岛礁等多种典型地理区域开展了科学试验与应用示范，取得了突出的实验成果与亮眼的科考成绩。在对地观测、气象探测、灾害监测、防务监视、应急通信、中继通信、雷达探测、城乡观测、科学考察等广阔的应用领域，系留气球平台已初露峥嵘，未来可期。