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《走近科學》:38所“大氣球”升空記

來源:信息發布     作者:信息發布人員     發布時間:2017年03月21日     瀏覽次數:         

  大氣球升空記

  早春二月,江淮之間春風料峭。一個新的氣球已經制作完畢,它將被送往幾十千米外的試驗場,在那里開始第一次試飛。工人們將氣球囊體平攤在室內,然后整齊地疊起、打包。所有浮空器給人的第一印象都是巨大。這個實驗氣球屬于比較小的型號,但也有30米長。為了裝配、折疊氣球的方便,這里特意將大樓修成了環形,中間留出一塊巨大的橢圓形場地供氣球使用。

  
央視《走近科學》欄目大氣球升空氣記視頻

  這個大氣球學名叫浮空器,顧名思義,它是靠大氣浮力實現升空,進而在空中飛行、停留的裝置。它在氣球內部充上比空氣輕的氣體,通過浮力來實現升空。

  迄今為止,人類制造的最大的飛行器仍然屬于浮空器——1930年代制造的興登堡號飛艇,它足足有240米長。浮空器之所以都如此巨大,是因為它里面充入的氣體都非常輕,要提供足夠的浮力拉起自身和懸掛的重物,就必須使用大量的氣體,也就需要更大的體積。

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  折疊好的氣球變得十分精巧,像一卷放大的鋪蓋,一輛普通小貨車就能放下。很快,它就將迎來自己的第一次飛行,這一次,它能成功嗎?

  到達試驗場地后,負責現場指揮的工程師李勁松向隊員們交代著注意的事項。放飛氣球需要的場地并不是很大。不同于飛機的起降需要機場,能在多種條件下升降是浮空器優勢之一。

  放飛之前,他們要把一個小箱子掛到氣球下面。這個箱子里裝著控制氣球在空中飛行、懸浮需要的電力裝置和與地面進行通信的裝置,它們維系著氣球的正常運行。由于氣球上升需要的浮力很大,這些裝置越重,能掛載的其他有效設備就越少,因此設計人員想方設法減少這個盒子的體積和重量。

  這根長管子下端會懸掛需要送上天的裝置。浮空器實際上提供的是一個可以在空中長時間懸停的工作平臺。根據不同的需要,在上面掛載不同的裝置。比如用于安保的高清監視設備,能夠監測很大面積的情況。裝載空氣成分分析裝置,能夠在高空完整記錄霧霾的形成和消散過程,為科研人員提供第一手資料。此外在軍事上也有重要的應用。這次裝載的是通信基站設備,它在升空后能夠覆蓋很大的一片區域,節約成本。同時能夠自由移動,起到應急保障的作用。

  

  翱翔天宇,一直是人類夢寐以求的理想。然而,要想飛上天際,首先要克服自身的重力。為了這個目的,人類想到了兩種辦法。第一種就是我們常見的各類飛機。通過高速移動在翅膀上下產生壓力差,提供升力來舉起飛機。另一種就是利用浮力。類似于在水上的船,只要它的密度比水輕,就能浮在水面上。只要飛行器比空氣還輕,它就能飄浮起來。歷史上,以飛艇為代表的浮空器制造在20世紀初盛極一時。巨大的飛艇成為那個時代的一個象征。1936年建造的興登堡號飛艇更是人類迄今為止最大的飛行器。然而,1937年發生的興登堡號空難給了浮空器發展致命的打擊。巨大的飛艇由于氫氣爆炸,在短短幾十秒內化為灰燼,從此飛艇退出了民用領域。后來隨著飛機的興起,浮空器速度慢的缺陷難以解決,它逐漸淡出了人們的視線。直到上個世紀末,隨著科學技術的進步,浮空器滯空時間超長的優勢有了用武之地,它才又逐漸煥發出生機。

  氣球的升空和使用需要地面上這輛車的配合。它的學名叫做錨泊車。顧名思義,它的作用就如同船上的錨,控制著氣球的升降。氣球通過一根長長的纜繩固定在車上,通過調節繩子的長度,實現氣球高度的升降。浮空器細分為兩大類,一類上面有動力裝置,以飛艇為代表,能夠自主飛行;另一類上面沒有動力裝置,完全靠空氣提供浮力和動力,今天放飛的氣球就屬于這一種。為了不讓它走的太遠,就需要一根繩子拴住它。同時,這根繩子還提供電力和光纖傳輸,把上面收集到的信息和數據傳輸下來。

  經過一番準備,所有的設備安裝檢查完畢,終于要開始進行試飛了。接下來要對氣球進行充氣。充入氣球內的氣體,自然是越輕越好。我們生活中常見的最輕的氣體要數氫氣了。它不僅密度低,而且造假低廉。實際上,人們最初制造浮空器就是充入氫氣。然而,氫氣的化學性質太過活潑,遇到空氣,很容易發生反應并爆炸。興登堡號飛艇就是由于氫氣爆炸釀成了慘劇。痛定思痛之后,現在的氣球充氣全部改用氦氣。氦氣是一種惰性氣體,幾乎不與任何物質反應,即使在空氣中用明火點,它也不會有任何變化。使用氦氣雖然成本上升了一些,卻可以最大限度保障其安全。

  氣球本身的重要當然是越輕越好。這樣下面就能懸掛更多的東西??墒歉?、更輕的氣球往往意味著強度更低,更不安全。實際上,球皮重量和強度的矛盾一直是阻礙浮空器發展的瓶頸。想讓球皮更輕,安全就不能保證,想保證安全,球皮就得越來越重。直到近年來,新的材料出現,才讓浮空器的制造有了新突破。

  這種黑色的復合纖維就是氣球球皮的制造材料。它能不能應對天空中種種意外情況呢?記者特地進行了一個驗證實驗。

  面對記者的撕扯,材料紋絲不動。面對鋒利的剪刀,也僅僅是開了個小口。它的球皮,是一種多層復合囊體材料,由特殊的高分子復合材料做成,包含承力織物層、耐候層、阻氣層、黏結層,不僅質量輕,而且強度高,不易變形,并且有很好的柔韌性和氣密性。一塊巴掌大的小小球皮,即使是兩個強壯男子也很難撕破。

  工作人員用實驗儀器進行了精確測試。

  浮空器的制造原理并不復雜。相比于其他飛行器,造價較低是它的優勢之一。首先將整張的原材料平鋪在桌面上,然后電腦控制的機床將其精確地裁剪成一塊一塊合適的形狀。由于浮空器是個三維立體的形狀,而原材料只有二維的平面,所以需要通過拼接縫合將其組裝起來。這個過程有點像裁縫做衣服,連機器都和縫紉機有些類似。不過,這里的縫合不是用針線,而是通過高溫加熱,將兩片材料牢固地黏合在一起。整個過程由電腦進行精確控制,確保接縫處不會有一點縫隙,保證使用過程中不會漏氣。

  與飛機相比,浮空器在很多方面都沒有什么優勢。它的飛行速度比較慢,機動性不足,用作軍事用途時目標太大。這些缺點使浮空器逐漸被邊緣化。不過,它有著一個最大的優點,那就是可以超長時間停留在空中而無需提供動力。這是目前其他飛行器都很難做到的特點。正是這個特點,讓浮空器有了自己獨特的用武之地。這次放飛的氣球雖然屬于小型,但它在空中待上一個月是沒有任何問題的。

  浮空器近年來在我國首次大顯身手,是在2010年的上海世博會期間。這個長31米、容量1600立方米的龐然大物在歷時184天的展會期間,用于世博園區監視和預警,廣受好評。它還有一個別稱叫『天眼』,因為它搭載的設備可24小時不間斷、360度監控地面游客、車輛、建筑、自然景觀等環境狀態,對重點區域的動向“了如指掌”。地上哪怕只有火柴盒大小的物體,“天眼”都能“看”得清清楚楚。2013年底,浮空器在上海市實現了對大氣從地面至空中1000米高度的立體探測,為城市環境治理提供了準確的科學依據。2016年的珠海航展上,“大白鯨”驚艷亮相,吸引無數人的眼球。胖胖的外形,顯得憨態可掬。與同時亮相航展、大名鼎鼎的殲20等飛機相比,這個大家伙無疑讓人覺得有點陌生。在航展上,由于場地條件的限制,大氣球一直停留在地面,沒有進行升空。

  浮空器的外形設計也有講究,弄成大鯨魚的造型可不是為了賣萌。這樣的造型能夠保證它遇見大風時會被風吹得水平移動,而不是上下翻滾。后部的三個尾翼在遇見風時能夠在尾部產生一個力矩,使氣球自動旋轉,永遠保持頭部正對迎風面,以減小大風的影響。在空氣動力學上,一個造型優美的飛行器往往有著更好的空氣動力性能。所以如果你覺得這家伙還挺可愛的,那說明它的氣動性能一定差不了。

  第二天一早,升空正式開始。放飛的過程中,系在球體表面的眾多纜繩將逐漸脫落,只留下一條主纜連接。起飛的過程中,地面上的錨泊車會隨著氣球飄動的風向轉動方向,保持球體的穩定。地面的風速風向比空中復雜很多,所以上升的過程要隨時調整方向。

  本次氣球放飛的升空高度在一千米左右。它將在不同高度上進行懸停、測試。如果想要飛得更高,就需要更大的氣球。

  

  中國電科集團38所制造的浮空器,是中國第一個全部自主設計和研發的中大型系留氣球裝備系統。它的出現打破了美國在浮空器領域的壟斷地位。它通過精益的空氣動力外形設計,實現氣球的穩定飛行,能在八級大風中保持穩定。同時,浮空器的成功研制,也體現了我國在綜合工業能力上的長足進步。關于浮空器,中國還想飛得更高更遠。

  大氣球成功升空了,帶著新的任務飛向天空。作為中國飛行器家族的一員,浮空器,也許沒有像C919、殲20那樣廣為人知,但一樣承載著中國人的航空強國夢,飛向更高、更遠的未來。人們抬起頭,仿佛透過那層湛藍的大氣層,看到了燦爛的星海。

  

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