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編者按：從古至今，人類從未停止過探索未知世界的腳步，認(rèn)知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)合開設(shè)“觀天測地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來空天信息領(lǐng)域最新進(jìn)展，普及科學(xué)知識。
       今年5月，“巔峰使命”珠峰科考創(chuàng)造了浮空艇大氣科學(xué)觀測世界紀(jì)錄。5月15日凌晨，由中科院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡稱“空天院”）自主研發(fā)的“極目一號”Ⅲ型浮空艇升空高度達(dá)到4762米，創(chuàng)造了海拔9032米的大氣科學(xué)觀測世界紀(jì)錄。這是世界上首次在珠峰地區(qū)從海拔9000米以上高空，觀測水汽、溫室氣體等參數(shù)的變化特點(diǎn)。
       “極目一號”Ⅲ型浮空艇本次“出征”珠峰，技術(shù)難度、駐空高度、攜帶載荷種類在已知的高原型系留浮空艇中前所未有，研制難點(diǎn)頗多。今天我們來詳細(xì)看看科研人員究竟攻克了哪些難點(diǎn)，突破了哪些硬核技術(shù)？

在珠峰駐空飛行的“極目一號”Ⅲ型浮空艇

浮空艇可靠性、穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛
     “極目一號”Ⅲ型浮空艇55米長，體積為9060立方米。這么巨大的體型是經(jīng)過精密計(jì)算得出的優(yōu)化尺寸，為了將既定的多種大質(zhì)量載荷從地面攜帶至海拔9000米的對流層上部。
       9000米海拔低溫低壓高風(fēng)速環(huán)境條件下，對浮空艇平臺系統(tǒng)的可靠性提出了嚴(yán)苛的要求。艇體材料是浮空艇“翱翔天際”的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，需要具有良好的低溫、高溫性能，同時(shí)還要抗老化、抗揉搓以及需要具備良好的氣密性能。為此，科研人員進(jìn)行跨所間的聯(lián)合攻關(guān)，最終研發(fā)的材料經(jīng)過層層測試，性能完全達(dá)到了要求。這是一種由我國自主研發(fā)的輕質(zhì)低密度高強(qiáng)抗輻射復(fù)合織物材料，復(fù)合織物材料可以對整個(gè)浮空艇進(jìn)行有效保護(hù)與支撐，阻擋外部雨雪風(fēng)沙的同時(shí)，也可減少內(nèi)部氣體泄漏，極大地增加了浮空艇的使用壽命與復(fù)用次數(shù)。這不僅解決了艇體材料的問題，而且在珠峰地區(qū)嚴(yán)苛的環(huán)境條件下應(yīng)用尚屬首次，具有重大的科學(xué)研究和工程應(yīng)用意義。此外，“極目一號”Ⅲ型浮空艇的主纜也是與其他單位合作研制完成，不僅能夠承受浮空艇巨大的浮力，還肩負(fù)著艇上設(shè)備與地面的通訊、供電等功能，是浮空艇能“得勝歸來”的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。
       海拔9000米高度的復(fù)雜電磁環(huán)境、低溫低氣壓高風(fēng)速環(huán)境等條件，對浮空艇的艇體、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性也提出了巨大考驗(yàn)。一方面，科研人員開展了充分的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)和狀態(tài)調(diào)試，針對高空低溫低氣壓的極端情況，對原本開放的設(shè)備艙體進(jìn)行專門的保溫保壓設(shè)計(jì)；同時(shí)針對高原電磁環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)開展電磁兼容設(shè)計(jì)，在之前供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出增加電氣間隙，提高擊穿電壓，克服海拔區(qū)域空氣稀薄、氣壓低、電氣間隙過小導(dǎo)致的擊穿電壓降低問題；并針對低溫低壓環(huán)境增加大氣壓和溫度監(jiān)測以及艙內(nèi)主動(dòng)溫控措施。經(jīng)過多輪的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)、優(yōu)化， “極目一號”Ⅲ型浮空艇艇體、供電、測控、錨泊等各分系統(tǒng)的設(shè)備全部工作正常，保證了載荷設(shè)備在本次科考試驗(yàn)中獲取了寶貴的有效科考數(shù)據(jù)。
       另一方面，科研人員還必須在出征前進(jìn)行充分的外場聯(lián)調(diào)測試。為了滿足這個(gè)9000多立方米的“大家伙”對場地的需求，科研人員首先選擇在河北省衡水市桃城機(jī)場的室外場地開展集成聯(lián)調(diào)測試，解決了這個(gè) “大家伙”的聯(lián)調(diào)問題。這是系留浮空艇系統(tǒng)首次進(jìn)行室外集成聯(lián)調(diào)，也是“出征”珠峰前最后的狀態(tài)檢驗(yàn)。為了搶時(shí)間、搶測試窗口，全隊(duì)人員經(jīng)常連夜通宵奮戰(zhàn)，最終確保“極目一號”Ⅲ型浮空艇各系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，迎接最終珠峰科考的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。
      構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈條 迭代升級關(guān)鍵技術(shù)
       為使任務(wù)圓滿完成，空天院浮空艇平臺團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了從設(shè)計(jì)、仿真、測試、系統(tǒng)集成、外場試驗(yàn)的全產(chǎn)業(yè)鏈流程，對艇體材料、測控系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、錨泊設(shè)備等進(jìn)行了深度的攻關(guān)研究，迭代升級。“極目一號”III型浮空艇更是過去多年研發(fā)積累下來新技術(shù)的一次集中體現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，與“極目一號”III型浮空艇相關(guān)的申請專利有30余件，覆蓋艇體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、飛控、能源等多個(gè)領(lǐng)域。
       以“硬式充氣口”專利為例，在“極目一號”III型浮空艇部署初期，需要將大量的高壓氦氣從儲氣罐充入艇體內(nèi)。科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高壓氦氣充入艇體，會(huì)對艇體材料產(chǎn)生沖擊，影響浮空艇的安全，高分貝噪音還會(huì)對現(xiàn)場的操作人員帶來聽力的損傷。
       經(jīng)過研究，科研人員發(fā)明了 “硬式充氣口”，采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及緩沖材料，有效降低了充氣過程的噪聲，提高了充氣速度，同時(shí)極大緩解了充氣口附近艇體材料的抖動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)了充氣過程中充氣口附近可以無人值守的目標(biāo)，減少了人員需求，在多次試驗(yàn)中均取得了良好的效果。
       此外，針對充氣速度慢問題，科研人員還發(fā)明了快速充氣減壓裝置，對高壓氣體進(jìn)行減壓、減速、減流，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)可充入2500公斤浮力氦氣的目標(biāo)，大大提升了充氣效率；針對浮空艇保溫板裝配與拆除速度慢問題，發(fā)明了快速拆裝保溫板，通過在保溫板上增加硬式包邊以及多個(gè)快速拆裝卡扣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了保溫板的重復(fù)利用以及快速拆裝，同時(shí)兼顧了外觀美觀的需求。
       浮空艇多領(lǐng)域落地應(yīng)用
       “極目一號”III型浮空艇為空天院團(tuán)隊(duì)目前研制成功的最大的浮空艇平臺。除此之外，還有面向不同載荷重量、升空高度的其他小型系留氣球平臺，如KX15、KX25及KX36等型號，均已比較成熟可靠，實(shí)現(xiàn)了落地應(yīng)用。
        例如，科研人員利用這些不同型號的浮空艇，曾在可可西里地區(qū)觀測藏羚羊等野生動(dòng)物的活動(dòng)；曾在內(nèi)蒙古地區(qū)開展草畜資源狀態(tài)監(jiān)測，為草畜平衡模型構(gòu)建，創(chuàng)建生態(tài)草牧業(yè)科技體系提供平臺支持；曾在東海海域開展“智慧海洋”應(yīng)急通信試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目船載系統(tǒng)的綜合集成演示驗(yàn)證等，都取得了良好的效果。
       經(jīng)此“出征”珠峰，科研人員對高海拔地區(qū)開展大型浮空艇試驗(yàn)積累了較多的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，對于后續(xù)開展大規(guī)模試驗(yàn)有很大的參考意義，包括平臺研發(fā)、人才培養(yǎng)、任務(wù)統(tǒng)籌等各個(gè)方面，均有不小的收獲。尤其是在科學(xué)觀測方面積累了高海拔地區(qū)浮空艇升空過程中艇體狀態(tài)、飛行控制、能源消耗、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、高空風(fēng)場、地面風(fēng)場等諸多一手?jǐn)?shù)據(jù)，可以為后續(xù)在青藏高原地區(qū)開展試驗(yàn)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。科研人員還將不斷在艇體優(yōu)化、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、飛控策略以及能源結(jié)構(gòu)等方面繼續(xù)優(yōu)化升級、創(chuàng)新發(fā)展，使得浮空艇系統(tǒng)載荷設(shè)備攜帶更多、系統(tǒng)更穩(wěn)健、駐空時(shí)間更長等。
       作者：何澤青、秦玉梅、屈維
       來源：中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院