“极目一号”浮空艇实现立体观测技术跨越 “大白鲸”飞向云端

今日新闻 2025年10月01日 02:44 1 admin

　　“极目一号”浮空艇试验队部分成员合影。本组图片由中国科学院空天信息创新研究院提供

　　9月中旬，西藏自治区林芝市鲁朗镇已秋意渐凉。在一片绿意葱茏的山谷中，伴随着湍急的水流，一只巨大的白色气球悄然升起，有四五层楼高。

　　这就是中国科学院空天信息创新研究院（以下简称“空天院”）牵头研发的“极目一号”浮空艇，又名“系留气球”，而科研人员亲切地叫它“大白鲸”。

　　晚上9点，暮色低垂。在这片河畔空地上，却亮起了大灯，聚集了许多戴着黄色安全帽的人。

　　“锚泊车各岗位准备。释放主缆！”戴着“小红帽”的空天院正高级工程师何泽青，正拿着对讲机，坚定地发出指令。他告诉中青报·中青网记者，“这是为了让大家能够迅速找到自己，汇集确认‘大白鲸’的上升和充气状态。”

　　随着他一声令下，“大白鲸”缓缓上浮，渐渐从人们眼中隐入云海。

　　“当前高度200米，锚泊车主缆速度提升至每分钟16米。”一旁的监控室中，空天院青年工程师付强正紧盯着电子屏幕上的数值，实时汇报升空数据。“今晚，‘大白鲸’还得上下两三次，获取垂直剖面的数据。大约凌晨五六点，我们将把它收回来。”何泽青说。

浮空艇云上观测到远处的供电铁塔。

　　近十年深耕青藏高原，让“大白鲸”翱翔云端

　　青藏高原作为“亚洲水塔”和全球气候变化的敏感区，其环境动态监测对区域可持续发展具有重要意义。

　　空天院正高级工程师张泰华记得，早在2017年，该院浮空艇团队便已挺进可可西里腹地，开启了与青藏高原的“云端之约”。

　　何泽青手指着浮空艇说：“大家看到的‘大白鲸’是‘极目一号’中最小的Ⅰ型。长39米，最大直径20米，在高海拔地区可上升2000-2500米。该系列浮空艇共有3个型号，体积分别是3000立方米、6000立方米和9000立方米。”

　　他还介绍了浮空艇的工作原理：“‘大白鲸’内部分为两部分，上半部分是较轻的氦气，下半部分是空气。随着浮空艇升空，大气压逐渐降低，氦气会膨胀，这时‘大白鲸’会通过排出空气来调节球体整体压力，使其始终保持在安全的压力范围之内。我们将‘大白鲸’回收时，则需要打入空气，这对保持气球的成型和抗风性是很重要的。”

　　面对青藏高原地区零下30摄氏度的极寒、每秒25米的强风以及海拔4700米的低气压环境，初代浮空艇装备出现了充气速度慢、艇体泄漏率较大、设备低温性能下降等问题。

　　“每一项难题，都需要解决。”张泰华说。

　　源源不断的新鲜血液注入，为浮空艇团队攻克难题提供助力。2018年，90后小伙屈维从北京化工大学硕士毕业后，加入了空天院浮空艇团队，主要从事浮空艇结构系统设计方面的工作。

　　屈维回忆道：“近8年的时间里，我参与了很多次浮空艇的外场试验，包括10次在青藏高原地区的试验、数百次的放飞。其中，让我印象最深刻的是2019年前往纳木错，这也是我们团队首次到海拔4000米以上的高原环境开展作业。”

　　纳木错试验中，团队成员正在给浮空艇充气时，突然刮起了大风，随后暴风雪来袭，“但当时球体还没有充气完成，抗风性能很弱，这或许会导致整个试验的失败”。

　　何泽青当机立断，立马下达“加快充气”的指令。队员们冒着零下20摄氏度的严寒，坚守岗位，最终完成充气。后续试验中，“极目一号”浮空艇最终创下了7003米的同类浮空器观测高度纪录。

　　2022年在珠峰试验场的经历，更是让屈维终生难忘。“最难忘的是突破9050米那天。随着指挥车屏幕上的高度数字一点点往上增加，达到9050米目标高度的那一刻，大家都屏住了呼吸，现场十分安静。而后才是爆发出来的欢呼、鼓掌。”

　　“对我们年轻人来说，首先就是要静心、稳住，扎根在工作中。因为设计工作是‘功在平时’，外场试验是对平时工作的一个检验。”屈维说。

　　突破极端、极限，构建起全规格产品“家族”

　　纳木错那次外场试验后，屈维暗暗在心中记下了“改进充气口”的设计目标。

　　屈维介绍，在浮空艇部署初期，需要将大量的高压氦气从储气罐快速充入艇体内，这一过程会对艇体材料产生冲击、影响浮空艇安全，高分贝噪音还会给操作人员带来听力损伤。

　　屈维和团队成员历经3年反复试验，创新研发出“硬式充气口”专利技术。采用特殊结构设计与缓冲材料，既降低高压氦气充气时的噪声、避免操作人员听力损伤，又缓解艇体材料振动，实现充气口附近“无人值守”。

　　同时，搭配“快速充气减压装置”对高压气体进行减压、增速，将氦气充气速度提升了2倍以上，极大缩短充气时间，多次试验验证效果显著。

　　此前，艇体材料因进口渠道等原因，直接制约了研发进程，成为项目推进的核心阻碍。

　　为突破这一技术瓶颈，空天院浮空艇团队与中国科学院长春应用化学研究所组建起专项课题组，聚焦材料的高低温适应性、抗老化性、耐揉搓性与高气密性等关键指标开展专项研制。

　　经过持续研发与反复验证，该课题组成功突破技术壁垒，研制出了具备轻质、低密度、低渗透、高强度、抗辐射五大核心优势的复合型材料。

　　团队给“大白鲸”穿上“双重防护”：一方面能有效抵御青藏高原雨雪风沙等严酷自然环境侵蚀，保障设备在极端条件下稳定运行；另一方面大幅降低内部气体泄漏率，不仅显著延长浮空艇使用寿命，更提升其复用次数，为野外科考任务的高效开展筑牢基础。

　　据不完全统计，近5年，该团队已申请专利60余件，既为浮空艇在升空高度突破、载荷集成效率、数据获取精度等方面实现持续迭代创新提供了核心知识产权支撑，也为空天领域相关技术的创新突破奠定坚实基础。

　　历经数十载深耕，空天院的浮空艇产品已实现早期单一型号试验的突破，逐步构建起覆盖“小型－中型－大型－超大型”的全规格产品“家族”，形成了极具竞争力的系列化产品谱系。

操作人员正在安装充气口。

　　“空中多面手”，让前沿探索盛开于雪域之巅

　　“浮空器是一种利用内部充填密度低于空气的气体（通常为氦气）而产生浮力的航空器，其出现时间早于飞机，是古老的航天器。”张泰华说。作为浮空器的重要类别，浮空艇凭借其驻空时间长、覆盖范围广、部署灵活、载重能力强以及操控成本低等优势，在众多应用场景中具备不可比拟的竞争力，成为构建“空天地”一体化观测体系的“空中多面手”。

　　何泽青说：“载荷舱位于浮空艇中后部，携带的载荷设备能够测量水汽同位素、黑碳、甲烷、二氧化碳等大气标识物，相当于建起了一座‘云端实验室’。”该浮空艇搭载三大类共16型、总重量约200公斤的科学载荷，成功升空至海拔5500米高度，通过多载荷协同观测，实现了浮空艇从单点采样到立体监测的技术跨越。

　　此次试验精准获取了大气组分、污染物分布、云三维微物理参数等关键科学数据，载荷种类多、测试数据丰富，将为青藏高原研究提供核心数据支撑，助力深度解析高原气候环境变化规律。

　　“十四五”期间，“极目一号”浮空艇经过持续迭代升级，实现了新突破。作为我国高原浮空观测领域的关键装备，该系列浮空艇的核心优势集中在大载重能力、超长续航时长、强抗干扰性能及对复杂环境的高适应性上，可在恶劣工况下稳定执行观测任务。

　　此次试验聚焦高原复杂环境，浮空艇成功克服多重严苛限制，不仅要应对高原局地突发的强对流天气，规避气流紊乱对艇体稳定性的冲击，还需耐受高空零摄氏度以下的低温环境。截至9月19日，试验累计完成30次升空飞行验证，覆盖不同高度层与气象条件，为后续技术优化提供了大量实测依据。

　　空天院研究员蔡榕表示：“浮空艇也是临近空间开发的核心平台，其技术突破将直接推动相关产业链升级。”

　　他提到，目前空天院的全规格浮空艇产品谱系，已在科学观测、应急通信、草原生态、海洋中继通信、对地观测及安全防控等场景成功应用，深度赋能生态、应急、通信、科研等关键领域，成为服务国计民生的重要技术支撑。

　　在呼伦贝尔草原生态保护中，该团队将浮空艇结合高分辨率光谱成像与人工智能识别技术，可精准监测草场长势、退化区域、牲畜数量和分布等；在烟台长岛电力通信专项应急演练活动中，该团队使用小型浮空艇，集成5G通信基站、三光测距跟踪光电吊舱，全程保障了抢修作业人员通信、现场画面实时回传等关键环节；浮空艇团队还研制出国内首套船基浮空艇装备，通过搭载的专用通信基站，可破解远海区域通信覆盖不足的难题。

　　来自空天院遥感与数字地球全国重点实验室的副研究员尚华哲，是“极目一号”浮空艇的忠实用户。“我们参与本次观测的任务之一，就是研究云和降雨之间的关系。通过浮空艇这次原位的探测试验，我们可以获取从云底到云中，再到云顶微物理特性的分布特征。”

　　他进一步解释道：“因为浮空艇可以在空中停留相当长的一段时间，通过驻停、悬停观测，我们可以获取云从生长到消散过程中微物理特性的变化规律。这些观测数据，对于指导改进现有的天气预报模式、气候模式中云物理参数化方案，具有重要支撑作用。”

　　张泰华表示：“下一步，我们希望将‘大白鲸’打造成更开放的空中试验平台，更好助力科学研究、服务国计民生。也欢迎全球科学家前来进行载荷试验。”

　　中青报·中青网见习记者李思记者樊未晨