我在青海放氣球的66天

“今年我們將發(fā)放15個(gè)高空科學(xué)氣球！在年度發(fā)放次數(shù)上首次超越NASA！” 雖然近兩年我國(guó)的高空氣球任務(wù)逐年增加，但是對(duì)比2017年的4個(gè)和2018年的5個(gè)，今年想要完成15個(gè)發(fā)放簡(jiǎn)直是“不可能完成的任務(wù)”。

1月30日 在青海畫了一個(gè)圈

年初在制定“鴻鵠”專項(xiàng)2019年度飛行計(jì)劃的時(shí)候，在場(chǎng)的每個(gè)人覺(jué)得這15個(gè)球幾乎就是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。

2019年度飛行策劃會(huì)上討論發(fā)放地點(diǎn) （攝影：黃宛寧）

為保證人力物力不間斷，高空氣球發(fā)放場(chǎng)的選址是很有講究的：首先，發(fā)射場(chǎng)的周邊地區(qū)不會(huì)是人口稠密地區(qū)，也不能有重要的安全或防護(hù)設(shè)施（例如高壓線，風(fēng)電場(chǎng)，核電站，軍事基地……）；不得妨礙空中交通管制，必須遠(yuǎn)離任何國(guó)際邊界；在氣球的水平飛行路徑下面也不能有大城市或者重要的設(shè)施；同時(shí)必須可以從飛行降落區(qū)安全可靠地回收球載設(shè)備。其次，交通運(yùn)輸必須方便，項(xiàng)目涉及到的人員、設(shè)備、材料以及氦氣需要方便地運(yùn)送到發(fā)放場(chǎng)。第三，在試驗(yàn)期間地面的風(fēng)力應(yīng)該比較弱，并且風(fēng)向改變不大。

高空氣球飛行的高度在航線之上，但是發(fā)放時(shí)會(huì)穿越航線

綜上所述，結(jié)合我們科學(xué)任務(wù)在青藏高原觀測(cè)需求，總指揮大筆一揮，在地圖上畫了一個(gè)圈，目標(biāo)鎖定青海海西州德令哈市大柴旦鎮(zhèn)。地廣人稀自不用說(shuō)，周圍方圓300km只有一條國(guó)際航線，這對(duì)于目前在國(guó)內(nèi)進(jìn)行的高空科學(xué)氣球的飛行來(lái)說(shuō)，已經(jīng)是非常理想的條件了。

7月9日 鴻鵠試驗(yàn)隊(duì)正式進(jìn)場(chǎng)

璀璨銀河下燈火通明的試驗(yàn)營(yíng)地 （攝影：祝榕辰）

發(fā)放點(diǎn)青海海西州德令哈市大柴旦鎮(zhèn)海拔高達(dá)3100米，但對(duì)于我們很多上過(guò)珠峰大本營(yíng)的試驗(yàn)隊(duì)員，可以說(shuō)如履平地。

高空科學(xué)氣球發(fā)放需要天時(shí)（氣象窗口）地利（空域窗口）人和（設(shè)備狀態(tài)）缺一不可，其中最難掌控的就是天時(shí)。

高空科學(xué)氣球本身無(wú)動(dòng)力，其運(yùn)動(dòng)受風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)氣象條件，尤其是風(fēng)場(chǎng)的要求非常高。所以氣象保障和軌跡預(yù)測(cè)的工作對(duì)于高空科學(xué)氣球的發(fā)放窗口決策至關(guān)重要。

發(fā)放當(dāng)天，風(fēng)速要求盡量小，并且在地面以及300米以下的低空，風(fēng)向需要相同且穩(wěn)定（如果地面和低空的風(fēng)向相反，風(fēng)就會(huì)對(duì)氣球產(chǎn)生類似于剪刀的剪切效果）。此外，氣球需要上升并進(jìn)入一個(gè)稱為準(zhǔn)零風(fēng)層的高度，這個(gè)高度的風(fēng)向比較穩(wěn)定，風(fēng)速較小，并且在此高度上下存在東西風(fēng)向的切變。高空科學(xué)氣球如果要進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)的飛行，需要找到準(zhǔn)零風(fēng)層，在此高度駐留，并通過(guò)高度調(diào)節(jié)來(lái)尋找需要的風(fēng)向。但準(zhǔn)零風(fēng)層的高度是隨著位置和季節(jié)而動(dòng)態(tài)變化的。

空中鳥(niǎo)瞰試驗(yàn)營(yíng)地 （攝影：黃宛寧）

7月20日至24日 搶時(shí)間抓氣象窗口

高空氣球的發(fā)放流程一般是這樣的：設(shè)備準(zhǔn)備完畢進(jìn)入待飛-->高空風(fēng)場(chǎng)合適-->申報(bào)空域-->空域批準(zhǔn)-->觀察地面風(fēng)速-->如果風(fēng)速較小-->進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備發(fā)放。

高空氣球發(fā)放準(zhǔn)備流程

空域是指各種航空器運(yùn)行的空間區(qū)域，屬于寶貴的國(guó)家資源。由于高空科學(xué)氣球的飛行高度會(huì)跨過(guò)航線，所以每次飛行都必須申請(qǐng)空域?？沼虺丝臻g上的限制，也會(huì)有時(shí)間上的要求。比如這次空管部門給我們劃定了允許飛行的空間范圍之后，還要求我們每次飛行都要提前申報(bào)，大部分限定的發(fā)放時(shí)間都是在夜間。當(dāng)然也出現(xiàn)過(guò)萬(wàn)事俱備只欠空域，而最終未獲批準(zhǔn)的情況。

動(dòng)態(tài)發(fā)放設(shè)備準(zhǔn)備就緒 （攝影：屈維）

可以看出，空域申報(bào)成功后地面風(fēng)速是個(gè)決定因素。所以在微信群里就出現(xiàn)了這樣令人費(fèi)解的通知：“明天空域已批，大家注意群里通知，若屆時(shí)地面風(fēng)小，1:30出發(fā)；若地面風(fēng)大，3點(diǎn)出發(fā)。”既然地面風(fēng)大，那3點(diǎn)出發(fā)干啥呢？到場(chǎng)地坐等地面風(fēng)速減??！為了能夠保證在天亮之前發(fā)放，我們必須凌晨進(jìn)入試驗(yàn)場(chǎng)地，所以枕戈待旦就成了家常便飯。凌晨2到5點(diǎn)，營(yíng)運(yùn)客車禁止上路，所以必須趕在1:30進(jìn)場(chǎng)。但是到了凌晨3點(diǎn)鐘，40多人的團(tuán)隊(duì)只能由一輛小轎車往返接送。

好在大柴旦這塊福地，在一個(gè)天氣過(guò)程（某種天氣及其相應(yīng)的天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的演變過(guò)程，是天氣分析和天氣預(yù)報(bào)需考慮的重要步驟，例如大風(fēng)降溫天氣過(guò)程）過(guò)后，會(huì)連續(xù)出現(xiàn)幾天比較好的氣象窗口，掌握了這個(gè)規(guī)律，我們所要做的就是加班加點(diǎn)并行開(kāi)展幾類平臺(tái)的聯(lián)調(diào)測(cè)試工作，讓設(shè)備早日進(jìn)入待飛狀態(tài)，一旦氣象窗口合適，則抓住機(jī)會(huì)連續(xù)進(jìn)行發(fā)放。

在7月20日至7月24日，試驗(yàn)隊(duì)連續(xù)5天凌晨2點(diǎn)進(jìn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了窗口期多個(gè)氣球的連續(xù)發(fā)放。

8月28日 與NASA賽跑 共同聚焦空間天氣

8月28日雙球伴飛觀測(cè)地磁暴 （攝影：黃宛寧）

8月底的時(shí)候，我們的一個(gè)飛行試驗(yàn)是通過(guò)臨近空間原位探測(cè)太陽(yáng)冕洞爆發(fā)引發(fā)的地磁暴現(xiàn)象，研究空間天氣現(xiàn)象對(duì)人類空間活動(dòng)的影響。我們關(guān)注到同時(shí)期NASA也有一個(gè)高空球載日冕儀（BITSE：the balloon-borne investigation of Temperature and Speed of Electrons in the corona）的項(xiàng)目準(zhǔn)備發(fā)放，通過(guò)測(cè)量日冕的密度，電子速度和溫度，來(lái)揭示太陽(yáng)風(fēng)暴的成因，而太陽(yáng)風(fēng)暴就是一種典型的空間天氣現(xiàn)象（作者注：太陽(yáng)上出現(xiàn)的耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動(dòng)，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運(yùn)行和安全，以及人類健康，帶來(lái)嚴(yán)重影響和危害，這種由太陽(yáng)活動(dòng)引起的短時(shí)間尺度的變化，稱之為空間天氣）。

空間天氣活動(dòng)示意圖

因?yàn)樘?yáng)冕洞活動(dòng)有活動(dòng)周期，我們和NASA都瞄準(zhǔn)了8月28號(hào)左右這個(gè)窗口。我們?cè)?月28日連續(xù)發(fā)放了兩個(gè)高空氣球搭載了2類9臺(tái)科學(xué)儀器在臨近空間高度進(jìn)行原位探測(cè)，NASA雖然在8月28號(hào)也做好了發(fā)放準(zhǔn)備，但是因?yàn)榈孛骘L(fēng)的原因，遲遲沒(méi)有發(fā)放成功。9月1日和9月4日，我們又分別發(fā)放了一次高空氣球搭載不同的載荷對(duì)太陽(yáng)冕洞活動(dòng)的平靜期進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)，而NASA一直等到9月18日才獲得一個(gè)理想的地面氣象窗口，最終發(fā)放成功。大柴旦地區(qū)極佳的地面風(fēng)場(chǎng)環(huán)境為我們連續(xù)進(jìn)行發(fā)放創(chuàng)造了氣象條件。

9月12日 趕在中秋節(jié)回家

試驗(yàn)成功的喜悅溢于言表（攝影：黃宛寧）

從7月9日我們鴻鵠試驗(yàn)隊(duì)正式進(jìn)場(chǎng)，到9月12日，當(dāng)我們坐上返京的飛機(jī)，回家過(guò)中秋節(jié)時(shí)，我們?cè)谇嗪＝怀隽?6天發(fā)放12個(gè)高空氣球，總飛行時(shí)間超過(guò)168小時(shí)的成績(jī)單。由空天院研制的高空氣球平臺(tái)單次最長(zhǎng)飛行時(shí)間達(dá)到了30小時(shí)53分，創(chuàng)造了高空科學(xué)氣球在國(guó)內(nèi)空域飛行時(shí)長(zhǎng)的新紀(jì)錄，并首次實(shí)施了不同高度的受控飛行和大范圍迂回，嘗試了飛行剖面和落點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，成功實(shí)施了大范圍飛行過(guò)程中，多點(diǎn)探空數(shù)據(jù)對(duì)飛行控制的輔助決策支撐，以及長(zhǎng)航時(shí)遠(yuǎn)距離飛行中的接力測(cè)控技術(shù)。在與NASA BITSE項(xiàng)目賽跑開(kāi)展空間天氣研究的地磁暴觀測(cè)飛行試驗(yàn)中，我們?cè)趪?guó)內(nèi)首次使用雙球同時(shí)伴飛實(shí)現(xiàn)針對(duì)同一科學(xué)目標(biāo)的多任務(wù)載荷搭載飛行（兩大類9個(gè)），開(kāi)創(chuàng)了多任務(wù)載荷高空氣球飛行新模式。采用了兩種不同方式的地面發(fā)放支持系統(tǒng)并行操作，優(yōu)化了發(fā)放流程；有效降低了地面操作人數(shù)。采用了兩地四站雙模式測(cè)控鏈路并行工作方式，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)高空科學(xué)氣球全時(shí)段全天候無(wú)依托跟蹤測(cè)控。

作者簡(jiǎn)介：

黃宛寧，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院浮空器系統(tǒng)研究發(fā)展中心高級(jí)工程師，主要從事浮空器遙測(cè)遙控和載荷應(yīng)用等研究工作。