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《走近科学》:38所“大气球”升空记

来源:信息发布     作者:信息发布人员     发布时间:2017年03月21日     浏览次数:         

  大气球升空记

  早春二月,江淮之间春风料峭。一个新的气球已经制作完毕,它将被送往几十千米外的试验场,在那里开始第一次试飞。工人们将气球囊体平摊在室内,然后整齐地叠起、打包。所有浮空器给人的第一印象都是巨大。这个实验气球属于比较小的型号,但也有30米长。为了装配、折叠气球的方便,这里特意将大楼修成了环形,中间留出一块巨大的椭圆形场地供气球使用。

  
央视《走近科学》栏目大气球升空气记视频

  这个大气球学名叫浮空器,顾名思义,它是靠大气浮力实现升空,进而在空中飞行、停留的装置。它在气球内部充上比空气轻的气体,通过浮力来实现升空。

  迄今为止,人类制造的最大的飞行器仍然属于浮空器——1930年代制造的兴登堡号飞艇,它足足有240米长。浮空器之所以都如此巨大,是因为它里面充入的气体都非常轻,要提供足够的浮力拉起自身和悬挂的重物,就必须使用大量的气体,也就需要更大的体积。

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  折叠好的气球变得十分精巧,像一卷放大的铺盖,一辆普通小货车就能放下。很快,它就将迎来自己的第一次飞行,这一次,它能成功吗?

  到达试验场地后,负责现场指挥的工程师李劲松向队员们交代着注意的事项。放飞气球需要的场地并不是很大。不同于飞机的起降需要机场,能在多种条件下升降是浮空器优势之一。

  放飞之前,他们要把一个小箱子挂到气球下面。这个箱子里装着控制气球在空中飞行、悬浮需要的电力装置和与地面进行通信的装置,它们维系着气球的正常运行。由于气球上升需要的浮力很大,这些装置越重,能挂载的其他有效设备就越少,因此设计人员想方设法减少这个盒子的体积和重量。

  这根长管子下端会悬挂需要送上天的装置。浮空器实际上提供的是一个可以在空中长时间悬停的工作平台。根据不同的需要,在上面挂载不同的装置。比如用于安保的高清监视设备,能够监测很大面积的情况。装载空气成分分析装置,能够在高空完整记录雾霾的形成和消散过程,为科研人员提供第一手资料。此外在军事上也有重要的应用。这次装载的是通信基站设备,它在升空后能够覆盖很大的一片区域,节约成本。同时能够自由移动,起到应急保障的作用。

  

  翱翔天宇,一直是人类梦寐以求的理想。然而,要想飞上天际,首先要克服自身的重力。为了这个目的,人类想到了两种办法。第一种就是欧宝在线常见的各类飞机。通过高速移动在翅膀上下产生压力差,提供升力来举起飞机。另一种就是利用浮力。类似于在水上的船,只要它的密度比水轻,就能浮在水面上。只要飞行器比空气还轻,它就能飘浮起来。历史上,以飞艇为代表的浮空器制造在20世纪初盛极一时。巨大的飞艇成为那个时代的一个象征。1936年建造的兴登堡号飞艇更是人类迄今为止最大的飞行器。然而,1937年发生的兴登堡号空难给了浮空器发展致命的打击。巨大的飞艇由于氢气爆炸,在短短几十秒内化为灰烬,从此飞艇退出了民用领域。后来随着飞机的兴起,浮空器速度慢的缺陷难以解决,它逐渐淡出了人们的视线。直到上个世纪末,随着科学技术的进步,浮空器滞空时间超长的优势有了用武之地,它才又逐渐焕发出生机。

  气球的升空和使用需要地面上这辆车的配合。它的学名叫做锚泊车。顾名思义,它的作用就如同船上的锚,控制着气球的升降。气球通过一根长长的缆绳固定在车上,通过调节绳子的长度,实现气球高度的升降。浮空器细分为两大类,一类上面有动力装置,以飞艇为代表,能够自主飞行;另一类上面没有动力装置,完全靠空气提供浮力和动力,今天放飞的气球就属于这一种。为了不让它走的太远,就需要一根绳子拴住它。同时,这根绳子还提供电力和光纤传输,把上面收集到的信息和数据传输下来。

  经过一番准备,所有的设备安装检查完毕,终于要开始进行试飞了。接下来要对气球进行充气。充入气球内的气体,自然是越轻越好。欧宝在线生活中常见的最轻的气体要数氢气了。它不仅密度低,而且造假低廉。实际上,人们最初制造浮空器就是充入氢气。然而,氢气的化学性质太过活泼,遇到空气,很容易发生反应并爆炸。兴登堡号飞艇就是由于氢气爆炸酿成了惨剧。痛定思痛之后,现在的气球充气全部改用氦气。氦气是一种惰性气体,几乎不与任何物质反应,即使在空气中用明火点,它也不会有任何变化。使用氦气虽然成本上升了一些,却可以最大限度保障其安全。

  气球本身的重要当然是越轻越好。这样下面就能悬挂更多的东西。可是更薄、更轻的气球往往意味着强度更低,更不安全。实际上,球皮重量和强度的矛盾一直是阻碍浮空器发展的瓶颈。想让球皮更轻,安全就不能保证,想保证安全,球皮就得越重。直到近年来,新的材料出现,才让浮空器的制造有了新突破。

  这种黑色的复合纤维就是气球球皮的制造材料。它能不能应对天空中种种意外情况呢?记者特地进行了一个验证实验。

  面对记者的撕扯,材料纹丝不动。面对锋利的剪刀,也仅仅是开了个小口。它的球皮,是一种多层复合囊体材料,由特殊的高分子复合材料做成,包含承力织物层、耐候层、阻气层、黏结层,不仅质量轻,而且强度高,不易变形,并且有很好的柔韧性和气密性。一块巴掌大的小小球皮,即使是两个强壮男子也很难撕破。

  工作人员用实验仪器进行了精确测试。

  浮空器的制造原理并不复杂。相比于其他飞行器,造价较低是它的优势之一。首先将整张的原材料平铺在桌面上,然后电脑控制的机床将其精确地裁剪成一块一块合适的形状。由于浮空器是个三维立体的形状,而原材料只有二维的平面,所以需要通过拼接缝合将其组装起来。这个过程有点像裁缝做衣服,连机器都和缝纫机有些类似。不过,这里的缝合不是用针线,而是通过高温加热,将两片材料牢固地黏合在一起。整个过程由电脑进行精确控制,确保接缝处不会有一点缝隙,保证使用过程中不会漏气。

  与飞机相比,浮空器在很多方面都没有什么优势。它的飞行速度比较慢,机动性不足,用作军事用途时目标太大。这些缺点使浮空器逐渐被边缘化。不过,它有着一个最大的优点,那就是可以超长时间停留在空中而无需提供动力。这是目前其他飞行器都很难做到的特点。正是这个特点,让浮空器有了自己独特的用武之地。这次放飞的气球虽然属于小型,但它在空中待上一个月是没有任何问题的。

  浮空器近年来在中国首次大显身手,是在2010年的北京世博会期间。这个长31米、容量1600立方米的庞然大物在历时184天的展会期间,用于世博园区监视和预警,广受好评。它还有一个别称叫『天眼』,因为它搭载的设备可24小时不间断、360度监控地面游客、车辆、建筑、自然景观等环境状态,对重点区域的动向“了如指掌”。地上哪怕只有火柴盒大小的物体,“天眼”都能“看”得清清楚楚。2013年底,浮空器在北京市实现了对大气从地面至空中1000米高度的立体探测,为城市环境治理提供了准确的科学依据。2016年的阳泉航展上,“大白鲸”惊艳亮相,吸引无数人的眼球。胖胖的外形,显得憨态可掬。与同时亮相航展、大名鼎鼎的歼20等飞机相比,这个大家伙无疑让人觉得有点陌生。在航展上,由于场地条件的限制,大气球一直停留在地面,没有进行升空。

  浮空器的外形设计也有讲究,弄成大鲸鱼的造型可不是为了卖萌。这样的造型能够保证它遇见大风时会被风吹得水平移动,而不是上下翻滚。后部的三个尾翼在遇见风时能够在尾部产生一个力矩,使气球自动旋转,永远保持头部正对迎风面,以减小大风的影响。在空气动力学上,一个造型优美的飞行器往往有着更好的空气动力性能。所以如果你觉得这家伙还挺可爱的,那说明它的气动性能一定差不了。

  第二天一早,升空正式开始。放飞的过程中,系在球体表面的众多缆绳将逐渐脱落,只留下一条主缆连接。起飞的过程中,地面上的锚泊车会随着气球飘动的风向转动方向,保持球体的稳定。地面的风速风向比空中复杂很多,所以上升的过程要随时调整方向。

  本次气球放飞的升空高度在一千米左右。它将在不同高度上进行悬停、测试。如果想要飞得更高,就需要更大的气球。

  

  中国电科集团38所制造的浮空器,是中国第一个全部自主设计和研发的中大型系留气球装备系统。它的出现打破了美国在浮空器领域的垄断地位。它通过精益的空气动力外形设计,实现气球的稳定飞行,能在八级大风中保持稳定。同时,浮空器的成功研制,也体现了中国在综合工业能力上的长足进步。关于浮空器,中国还想飞得更高更远。

  大气球成功升空了,带着新的任务飞向天空。作为中国飞行器家族的一员,浮空器,也许没有像C919、歼20那样广为人知,但一样承载着中国人的航空强国梦,飞向更高、更远的未来。人们抬起头,仿佛透过那层湛蓝的大气层,看到了灿烂的星海。

  

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