基于平流層飛艇的氣象探測技術(shù)探索

王柏林 楊加春 郭虓

（1中國華云氣象科技集團公司，北京 100081；2天津華云天儀特種氣象探測技術(shù)有限公司，天津 300384；3北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191）

0 引言

平流層飛艇的工作高度介于常規(guī)航空器的最高飛行高度和航天器的最低軌道高度之間，是跨接航空與航天的新興領(lǐng)域，具有重要的軍民兩用價值和戰(zhàn)略意義。在軍用領(lǐng)域，可作為信息平臺用于通信保障、偵查監(jiān)控、情報搜集、導(dǎo)彈防御和安全預(yù)警等[1-4]；在民用領(lǐng)域，可替代同步衛(wèi)星進行通信中繼、防震減災(zāi)、空中運輸、大氣環(huán)境監(jiān)測和緊急求助等[5-8]。近年來，歐洲和美國投入大量資金用于支持多項平流層飛艇研發(fā)項目[9]，中國對平流層飛艇的研究始于“十五”期間，多個高校和研究所針對平流層飛艇開展方案論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等基礎(chǔ)性研究[10]。2009—2012年，北京航空航天大學(xué)先后4次完成20 km以上平流層高度飛行驗證，取得了初步成果。中國科學(xué)院黃宛寧[11]提出了一種適合于平流層飛艇的艇囊內(nèi)氣體及囊體表面溫度的測量方法，經(jīng)過兩次平流層飛艇的縮比飛行試驗，對比同飛艇釋放的探空儀珠狀熱敏電阻溫度數(shù)據(jù)，初步驗證了該方法測量溫度數(shù)據(jù)的準確性，提出如想進一步提高溫度測量精度，必須針對測量結(jié)果進行輻射誤差修正。

本文所介紹的試驗，是首次基于平流層飛艇平臺從18 km高度在指定區(qū)域進行下投探空，在平流層完成了連續(xù)18 h的溫度、濕度、氣壓等要素的觀測，并獲取了觀測資料。初步驗證了平流層飛艇平臺搭載氣象載荷進行氣象觀測應(yīng)用的可行性?；谄搅鲗语w艇的氣象探測載荷與應(yīng)用系統(tǒng)在平臺飛行高度、駐空時間、載重量、可復(fù)用性等方面具有當前包括氣象衛(wèi)星、飛機、火箭和氣球等載體不具備的平臺優(yōu)勢。

1 試驗?zāi)康?/h2>

2017年8月27—28日在新疆某基地開展了平流層飛艇氣象觀測試驗，采用北京航空航天大學(xué)研制的單囊體飛艇作為平臺，該飛艇以氦氣充浮，搭載蓄電池和太陽能電池板為供電系統(tǒng)，具有螺旋槳推進動力。飛艇于27日22：56從地面釋放升空，大約23：44達到駐留高度18.6 km，經(jīng)小幅調(diào)整后于次日00：35穩(wěn)定在18.3 km高度，07：29日出后太陽能電池板開始蓄能，飛艇動力系統(tǒng)工作，駐留期間完成一個直徑為25 km的圓形航線飛行，開展了兩次小區(qū)域抗風(fēng)駐留飛行試驗，28日16：14開始下降（飛行軌跡見圖1），共駐留18 h。

圖1 飛行軌跡及操作時間Fig. 1 Flight track and operating time

飛艇搭載并下投4支導(dǎo)航探空儀，采集從平流層到對流層縱向大尺度氣象數(shù)據(jù)，檢驗飛艇作為下投觀測平臺的可靠性和穩(wěn)定性。飛艇在上升、懸停和下降過程中，受到太陽輻射、地面和云的反射輻射與長波輻射影響，同時自身還在向外發(fā)出長波輻射、與大氣對流交換熱量（圖2）。因此，飛艇在不同懸掛高度搭載了多種類型的溫度傳感器，采集平流層氣象數(shù)據(jù)，檢驗飛艇搭載氣象載荷開展長時間、大尺度氣象觀測的可行性與可靠性，對飛艇平臺溫度觀測布局方案進行了初評。

圖2 飛艇上升、定點懸停和下降時面臨的復(fù)雜熱環(huán)境Fig. 2 Complex thermal environments faced by airships as they rise, hover and fall

本次飛艇試驗開始前，各類型的艇載氣象觀測設(shè)備均在氣象計量部門進行了檢定并達到氣象業(yè)務(wù)要求，但因空域限制，下降過程中采用了主動爆破措施，未能順利回收飛艇及試驗設(shè)備，缺少對參試氣象傳感器計量復(fù)檢，故此次試驗更多是飛艇氣象觀測原理方法探索和檢驗，部分結(jié)論還有待后期試驗繼續(xù)驗證。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 艇載下投探空

下投探空儀采用導(dǎo)航測風(fēng)模式的探空儀，主要由導(dǎo)航定位模組、400 MHz無線電發(fā)射模組、壓溫濕傳感器測量模組等幾個主要部分組成。利用導(dǎo)航定位模組進行空間實時定位，測定氣球在高空大氣中隨時間漂移的速度與方向，從而計算出高空大氣的風(fēng)向風(fēng)速；利用氣壓、溫度、濕度（PTU）傳感器實時測量大氣的氣象要素；利用400 MHz無線電發(fā)射機將定位數(shù)據(jù)和PTU數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接收系統(tǒng)。探空儀溫度傳感器采用直接0.6 mm珠狀熱敏電阻，表面采用真空鍍鋁工藝涂覆防輻射層，具有響應(yīng)時間短、測量準確度高、防輻射能力強的特點。濕度傳感器采用高分子薄膜濕敏電容，具有低溫響應(yīng)快、全程測量準確度高的特點。

飛艇下部懸掛氣象載荷艙（圖3a），主要包括投放控制系統(tǒng)、測量存儲系統(tǒng)、溫度探頭投放艙、探空儀投放艙等組成，負責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、艙內(nèi)溫場控制、儀器投放控制等功能。艇載氣象觀測數(shù)據(jù)借助測控系統(tǒng)回傳至地面，探空儀觀測數(shù)據(jù)通過400 MHz傳回地面接收機。

1）探空儀下投過程

2017年8月28日00：22—07：45，飛艇平臺從約18 km高度下投了4個探空儀，地面探空接收機共收到8300多條探空秒數(shù)據(jù)。

從表2探空儀的下降速度和持續(xù)時間來看：1、2、3號探空儀工作狀態(tài)正常，4號探空儀下降速度較快、持續(xù)時間較短，疑似降落傘未能完全打開。1號探空儀于凌晨釋放，飛艇搭載的可見光載荷未能采集到圖像資料，2、3、4號探空儀于日出后釋放，模擬圖像載荷拍攝到氣象載荷艙門打開、探空儀釋放的瞬間，數(shù)字圖像載荷拍攝到2號、4號探空儀初始下降的過程。從視頻圖像可見（圖3b），遙控指令響應(yīng)及時，艙門動作與探空儀釋放正常流暢，與艇體之間沒有干涉。

表1 艇載氣象觀測設(shè)備Table 1 Meteorological observation equipment on the airship

圖3 艇載下投探空（a）氣象載荷艙組成結(jié)構(gòu)簡圖；（b）探空儀下投瞬間Fig. 3 Drop radiosonde from the airship（a）Brief diagram of the load compartment; （b）Drop moment

表2 下投探空儀釋放情況Table 2 Dropsonde release information

2）下投探空廓線數(shù)據(jù)分析

圖4為下落過程完整的溫濕度廓線和風(fēng)速風(fēng)向廓線，驗證了從平流層飛艇中下投探空儀的可行性。以2號探空儀為例，探空儀在下降至距離地面7362 m高度時，距離接收點的距離為186 km，仰角為1°，已經(jīng)與理論計算視距接近，之后信號消失。

由于夜間只進行了1次下投測試，廓線數(shù)據(jù)無法進行比較。而白天3次下投探空儀間隔僅3 min左右，所測得的廓線可以進行分析比對。圖5為3組溫度、濕度的廓線圖。

圖4 下投探空儀（2號）溫濕壓（a）及風(fēng)速風(fēng)向（b）廓線Fig. 4 The temperature, humidity, pressure (a), wind speed, and direction (b) profiles of dropsonde (2#)

圖5 白天釋放的3組探空儀溫度（a）、濕度（b）廓線比對Fig. 5 Comparison of three sets of dropsonde’s temperature (a) and humidity (b) profiles during the day time

由圖5可見，溫度和濕度廓線趨勢較為一致。為了進一步研究下投探空儀所測廓線的可靠性，以2號探空儀為參考標準，3號和4號探空儀與之做差對比，比較分析白天3組數(shù)據(jù)各海拔層（500 m間隔）的要素。

由圖6a～6e可見，白天釋放的3組探空儀溫度差值保持在±0.4 ℃以內(nèi)，說明下投探空儀所測溫度廓線一致性較好。3號與2號差值較小，4號與2號差值更大，由于4號降速較大（表2），造成一致性偏差大；濕度差值保持在±4%以內(nèi)，說明下投探空儀所測濕度廓線一致性較好；氣壓差值保持在1.5 hPa以內(nèi)，說明下投探空儀所測濕度廓線一致性很好，而4號比2號的氣壓差值偏大，是由于4號降速偏大造成的，說明降速對氣壓的測量有一定的影響；風(fēng)速差值保持在±2 m/s以內(nèi)，說明下投探空儀所測風(fēng)速廓線一致性很好；風(fēng)向差值保持在±4°以內(nèi)，說明下投探空儀所測風(fēng)向廓線一致性較好。

綜上所述，由下投探空儀觀測數(shù)據(jù)分析可見，利用平流層飛艇搭載、地面遠程操控釋放下投式探空儀，地面場站雷達接收獲得的探空觀測秒數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠，證明飛艇是一種可連續(xù)工作時間長、機動性強、平臺穩(wěn)定的下投式探空的平流層搭載平臺。

2.2 艇載溫度觀測

為了探索揭示太陽反射涂層、安裝位置和熱流場對溫度測量結(jié)果的影響，在載荷艙體下方分別布設(shè)了2支熱電偶傳感器（距離飛艇底部1 m和2 m）、2支鉑電阻傳感器（距離飛艇底部20 cm）、2組陣列式熱敏電阻溫度傳感器（距離飛艇底部6 cm），其中1組熱敏電阻表面無太陽反射涂層、1組熱敏電阻表面有太陽反射涂層，每組均由5支熱敏電阻構(gòu)成，安裝位置相同，1號位置朝向艇頭，2號和3號位置在艇左側(cè)，4號和5號位置在艇的右側(cè)，1～5號位置間隔72°平均分布。

1）熱電偶溫度傳感器觀測數(shù)據(jù)分析

考慮到熱電偶溫度傳感器體積小、受太陽輻射影響小，但在飛艇上升過程中易損壞，故安裝在飛艇載荷艙中，上升至預(yù)定高度后（00：35）從氣象載荷艙中拋出（位置如圖3a），懸掛在距離艙底1 m和2 m的位置。由于飛艇在白天進行觀測時處于太陽輻射的環(huán)境中，因此在飛行過程中會產(chǎn)生熱尾流，這種熱尾流對大氣溫度測量的準確度有顯著影響。

圖6 白天釋放的3組探空儀溫（a）、濕（b）、壓（c）、風(fēng)（d、e）要素差值Fig. 6 Difference of three sets of dropsonde’s temperature (a), humidity (b), pressure (c), wind speed (d), and direction (e)profiles during the day time

圖7 飛艇中陣列式熱敏電阻的空間布局示意圖Fig. 7 schematic diagram of space layout of array thermistors in airship

圖8 兩支熱電偶溫度傳感器觀測數(shù)據(jù)對比Fig. 8 Comparison of two thermocouple temperature observation data

由圖8可見，在日出（07：20）前，飛艇動力系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，2支熱電偶傳感器之間的溫度差穩(wěn)定在1～2 ℃，這種溫度差主要是來自于懸掛位置差異。日出后，在飛艇全速運動階段（07：20—10：20），1 m位置的熱電偶溫度最高升高了近20 ℃，兩者之間的最大溫度差接近10 ℃，這種溫度差一方面是受到太陽輻射影響，而更主要原因，推斷是受到飛艇動力裝置帶來的尾流加熱影響，且距離飛艇越近受飛艇尾流加熱影響越大；在飛艇低速運動階段（10：20—16：45），飛艇動力系統(tǒng)尾流加熱影響減弱，兩者之間的溫度差又變得較為穩(wěn)定，基本在2 ℃以內(nèi)。

2）鉑電阻溫度傳感器觀測數(shù)據(jù)分析

2支鉑電阻傳感器均布設(shè)在距離飛艇底部20 cm位置，隨飛艇上升至平流層。

由圖9可見，在日出（07：20）前，2支鉑電阻溫度傳感器之間的溫度基本穩(wěn)定在0.2 ℃以內(nèi)，體現(xiàn)了非常好的測量一致性，只是在初期飛艇高度調(diào)整和釋放下投探空階段波動幅度較大。日出后，與熱電偶傳感器情況相似，2支鉑電阻傳感器之間的溫度差逐漸變大，在飛艇全速運動階段（07：20—10：20），兩者之間的最大溫差接近3 ℃，推斷是受到太陽輻射和飛艇動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)帶來的熱尾流的共同影響；在飛艇低速運動階段（10：20—16：45），兩者之間的溫度差也恢復(fù)到1 ℃以內(nèi)。

圖9 兩支鉑電阻溫度觀測數(shù)據(jù)對比Fig. 9 Comparison of two platinum resistance temperature observation data

3）陣列式熱敏電阻溫度傳感器觀測數(shù)據(jù)分析

由圖10和圖11可見，如果以熱電偶（2 m）溫度傳感器測量數(shù)據(jù)作為參考標準，在日出（07：20）前，受飛艇紅外輻射影響，熱敏電阻測量溫度高于熱電偶測量溫度，有輻射涂層陣列熱敏電阻的溫度波動性明顯小于無輻射涂層陣列熱敏電阻。日出后，在飛艇全速運動階段（07：20—10：20），受到太陽輻射、飛艇內(nèi)部紅外輻射和飛艇尾流的共同影響，無論熱敏電阻是否有涂層，測量值都出現(xiàn)劇烈變化，比熱電偶溫度最多低接近12 ℃；在飛艇低速運動階段（10：20—16：45），飛艇尾流對熱電偶加熱影響減弱，熱敏電阻受飛艇內(nèi)部紅外輻射和太陽輻射影響增強，熱敏電阻比熱電偶溫度最多高接近10 ℃。

由圖12可見，以無涂層傳感器與有涂層傳感器觀測結(jié)果做差，在1、2和3號位置有無涂層傳感器差異情況接近，在4號和5號位置有無涂層傳感器差異情況接近。日出前，各位置上有無涂層熱敏電阻傳感器的差異小，主要是受大氣長波輻射和艇體紅外輻射影響、未受到太陽輻射影響；日出后，在4號和5號位置上，無涂層傳感器測量溫度高于有涂層傳感器，受太陽輻射的影響，而在1、2、3號位置上，無涂層傳感器測量溫度高于有涂層傳感器，推斷是因為傳感器距離艇身較近，存在陰影遮擋減小了太陽輻射的影響。

圖10 無輻射涂層陣列熱敏電阻與熱電偶傳感器（2 m）比較Fig. 10 Comparison of radiation-free coated array thermistors with thermocouple sensors (2 m)

圖11 有輻射涂層陣列熱敏電阻與熱電偶傳感器（2 m）比較Fig. 11 Comparison of radiation-coated array thermistor with thermocouple sensors (2 m)

圖12 相同位置兩組陣列熱敏電阻傳感器比較Fig. 12 Comparison of two array thermistor sensors in the same position

4）大氣溫度觀測布局優(yōu)化方案

由上述分析可見，受飛艇尾流加熱影響程度：熱電偶（1 m）＞熱電偶（2 m）＞鉑電阻（20 cm）＞熱敏電阻（6 cm），飛艇的熱尾流主要影響區(qū)域在距離飛艇底部1 m左右的位置，飛艇的內(nèi)部紅外輻射影響程度，則是距離艇體越遠越小，距離艇身太近還會存在一定的陰影遮擋。為了減小太陽輻射和飛艇熱尾流對大氣溫度觀測結(jié)果的影響，優(yōu)化溫度傳感器安裝在飛艇周圍的布局，可選用熱電偶傳感器，在飛艇的頭部、尾部和兩側(cè)分別距離艇體至少2 m分別安裝（如圖13所示），因為太陽輻射和熱尾流都是增溫影響，因此同一個觀測時間里的最低溫度傳感器觀測數(shù)據(jù)即可視為大氣溫度的相對真值。另外，結(jié)合計算流體學(xué)方法提出的輻射誤差修正算法，有望將熱電偶組溫度傳感器的輻射誤差修正精度提高到0.05 ℃量級。

3 初步結(jié)論與展望

通過本次平流層飛艇氣象觀測試驗數(shù)據(jù)分析，可以得出以下初步結(jié)論：

1）基于飛艇平臺的下投導(dǎo)航探空儀方式可行，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，未來飛艇平臺觀測技術(shù)更加趨于成熟穩(wěn)定，可以成為臺風(fēng)等大尺度災(zāi)害性天氣觀測的一種新手段.

圖13 飛艇上熱電偶組溫度傳感器的優(yōu)化布局示意圖Fig. 13 Schematic diagram of optimal layout of thermocouple group temperature sensors on airship

2）平流層飛艇在平流層空間開展氣象觀測，必須考慮太陽輻射、艇體內(nèi)部紅外輻射、飛艇動力系統(tǒng)產(chǎn)生的尾流等對氣象要素觀測的影響，通過合理優(yōu)化的觀測布局設(shè)計和誤差修正算法設(shè)計，減小環(huán)境因素對觀測結(jié)果的影響。