一种组合式膨胀型平漂气球的释放方法与流程

[0001]
本发明涉及一种气象探测、高空探测以及中继通信等领域的浮空器或探空载体的释放方法。


背景技术：

[0002]
目前世界上气象探测载体气球，主要采用橡胶(天然或合成胶乳)材料制成的球皮，充以比空气轻的气体氢气或氦气后携带仪器，进行气象探测。随着气象事业、航空航天与国防军事等领域的发展，对高空探测的多样化，长时化、跨区域化的探测与研究的需求越来越高。
[0003]
目前，国内外越来越重视高空长时探测业务发展，传统的高空长时探测一般采用非膨胀型塑料薄膜气球，该气球不仅成本高昂，而且无法随时进行即时需求的探测，需要长期的精确策划与准备。美国在该领域处于世界前列，其中google中继通信气球最长探测时间已突破187天，正在追求商业化，但其飞行高度较低约为20km，且实施成本极高；而国内该类型薄膜气球单个施放成本在200万元以上，因动力与能源问题，目前还无法突破高空8h以上长时驻留。乳胶气球长时驻留中，据报道哈佛大学与斯坦福大学合作的valbal球可实现长时驻留平漂，但因其操作系统设计与应用功能限制，其平漂高度范围在12-18km以内。
[0004]
目前平漂手段一般为单球平漂，该平漂球要经历升空过程，时长一般为1～2.5h，该时段气球将承受极低温、紫外线、臭氧等恶劣条件的考验，同时，极端天气如大雨大雪天气时，在0-9000m高度范围，还将有雨水浸润与附着于球皮上，影响气球高空平衡，从而出现提前球炸、平漂时间不够(3h以内)，甚至无法平漂等现象，最终影响气球平漂成功率(50％左右)与平漂时长。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种组合式膨胀型平漂气球的释放方法，以低成本、较高成功率实现较宽高度范围和较长时间的高空驻留。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0007]
一种组合式膨胀型平漂气球的释放方法，包括下述的步骤：
[0008]
(1)根据所需平漂高度，确定内外球规格，将两个及以上的气球内外球嵌套组合；
[0009]
(2)根据组成构件的重量，进行净举力计算与修正，然后计算出内外球拉力值与气量；
[0010]
(3)确认充气顺序，精准控制内外球气量，使内外球均充气至所需的拉力值，然后连接仪器并施放。
[0011]
进一步的，步骤(1)中将2个气球嵌套组合。
[0012]
进一步的，步骤(1)内外球搭配的原则为：内球重量大于外球重量，或内外球重量接近，或内球重量稍小于外球。
[0013]
进一步的，步骤(1)外球重量控制在300-1600g，内球重量控制在300-9000g。
[0014]
进一步的，步骤(1)内外球搭配的方式为：外球重量250～350g，内球重量250～350g；外球重量450～600g，内球重量450～800g；外球重量700～800g，内球重量900～7400g；外球重量1500～1700g，内球重量7500～9500g。
[0015]
进一步的，步骤(2)内球净举力计算修正时，白天净举力按a
实
＝λa-0.35＝(0.7～2.6)a-0.35kg进行计算；晚上净举力按a
实
＝a+γa＝a+(-0.3～1.6)akg进行计算，其中a为理论计算的净举力。
[0016]
进一步的，同一时间同一地点白晚班的净举力计算范围为：a
晚-a
白
＝0.1-0.6kg。
[0017]
进一步的，步骤(3)充气顺序采取先充内球再充外球，或先充外球再充内球。
[0018]
进一步的，在先充内球模式下，精准控制内球气量的方法为：通过重量净值与净举力差值m
外-m
残-m
载-a，来确认增加拉力还是配重，其中m
外
为外球重量，m
载
为负载重量，m
残
为外球残余重量，以配重减少净举力时，配重为m
配
＝-a+m
外-m
残-m
载
，以拉力来增加净举力时，拉力为：f
内拉
＝a-m
外
+m
残
+m
载
。
[0019]
进一步的，在先充内球模式下，控制外球气量，其范围在δf1至δf3之间，δf1、δf3分别为300m/min，400m/min升速下地面充气时的外球拉力值。
[0020]
理论上，为使得气球在一定高度下平漂飞行，即在该高度下净举力为零即可满足要求。本发明的关键点在于，根据平漂高度要求，在平漂范围内，选择合适的内外球规格，然后根地面净举力经验值与空中净举力为零要求，确认地面内外球充气量，并通过适当的方法对内外球充气量进行精准控制。
[0021]
同时对于白晚班与季节影响，通过引入净举力修正值，然后根据充气顺序与内外球充气量范围进行充气，通过拉力计量确认精准控制内外球气量，当气量过多时，以配重或者放气进行控制，待内外球均达到所需拉力后结束充气，一切准备工作完成后释放，即可达到预设高度一定范围驻留平漂的目的。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0023]
本发明克服了现有技术中高空长时探测成本高昂、平漂驻留控制困难，驻留时间不够、平漂成功率低等问题。相比如单球平漂模式，本发明的嵌套球模式可减少平漂球在低温、高湿、高寒区域及升空过程中与紫外线、臭氧直接暴露接触的时间，即减少环境对平漂球球皮性能与平漂平衡状态的影响，从而减少内球提前爆炸或者浮力变化波动幅度大的情况出现，达到了提升浮空器平漂施放的成功率与平漂驻留时间目的(单球平漂施放成功率一般在50％左右，平漂时长一般在3h，见cn108559143a)。同时，合适的内外球规格匹配选择，内外球精准气量计算与控制，提升了气球的平漂高度覆盖范围与施放成功率；精准气量的控制，保证了气球在合适的高度驻留，减少了同一个气球施放时驻空高度的大范围波动，从而减少因气量过多或过少造成气球升炸或掉落而引起平漂时长不足的风险，在气球球皮性能合格的前提下，进一步提升了气球驻留时长。
[0024]
本发明通过采用可伸缩性膨胀气球，特别适合于目前已生产的天然胶乳、合成胶乳等材料制备而成的膨胀型气球，进行规格选择搭配与内外球嵌套组合使用，再通过内外球气量精准控制，以低成本相对便捷的方式实现18-45km高度范围4h以上(4-14h)的高空平漂驻留，施放成功率可达80％以上，且4小时范围内平漂的高度波动范围在3000m以内。
[0025]
综上，本发明能灵活快速的以较低成本、较高成功率实现高空较长时间驻留探测，
及较大高度范围的覆盖探测，既可实现气球高效施放，又能保证所需升速与数据的准确性。本发明可以应用于实施组网、高空气象探测、高空探测、监测、研究领域以及中继通信领域。为长时气象探测、区域覆盖长时探测与空间驻留探测与试验研究等提供了一种低成本高效率的载体工具。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1是组合式膨胀型平漂气球示意图；
[0028]
其中：1、气球；2、熔断仪器；3、降落伞；4、探空仪或其他仪器。
具体实施方式
[0029]
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
[0030]
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0031]
本发明平漂球，其球为两个及以上的球内外球嵌套组合，其中最合适的为2个球的嵌套组合。气球优选采用天然胶乳、氯丁胶乳、各种合类成胶乳等其他成型后具有较高膨胀伸缩性材料制备而成。外球重量控制在300-1600g，内球重量控制在300-9000g。
[0032]
本发明的组合式气球的释放方法，先确认所需平漂的高度范围，再据此选择合适的内球(平漂球)与外球(动力球或保护球)进行匹配，然后根据气球、负载等重量，计算出内球所需净举力与充气量，再确认外球所需的充气拉力，然后根据充气顺序，采用适当的方法精准控制内外球气量，使内、外球均充气至所需的拉力值，最后连接仪器与施放。
[0033]
平漂内外球搭配的原则：内球重量大于外球重量，或内外球重量接近，或内球稍小于外球，即：m
内
≥m
外
或m
内
≈m
外
。
[0034]
内外球规格搭配确定方法：先确认每种规格的内外球高度驻留范围，然后根据其对应的内外球规格，最后确认所需的内外球搭配，如表9。外球高度驻留范围，见表5，内球高度范围，见表8。
[0035]
内球净举力计算修正时，白天净举力按a
实
＝λa-0.35＝(0.7～2.6)a-0.35(kg)进行计算。晚上净举力按a
实
＝a+γa＝a+(-0.3～1.6)a(kg)进行计算。内球净举力计算时，同一地点同一季节同样班次的净举范围为：a
±
η*a，η＝5％-20％。同一时间同一地点白晚班的净举计算范围为：a
晚-a
白
＝0.1-0.6kg。
[0036]
充气顺序选择，可采取先充内球再充外球，或先充外球再充内球。先充内球模式，精准控制内球气量净举力方法为：通过重量净值与净举力m
外-m
残-m
载-a，来确认增加拉力还是配重，以配重减少净举力时，配重为m
配
＝-a+m
外-m
残-m
载
，以拉力来增加净举力时，拉力为：f
内拉
＝a-m
外
+m
残
+m
载
。
[0037]
先充内球模式，控制外球气量，其范围在δf1至δf3之间，一般选择δf2。
[0038]
先充内球，其释放步骤为，先预估所需要的平漂高度，选择合适的内外球进行匹配嵌套，然后称量所有配件的重量包括球重、负载重量(仪器绳子伞重等)、配重等，根据净举力公式计算内球与修正所需要的净举力，然后确认外球拉力；之后按计算值要求，先进行内球充气与精准控制到对应的拉力值或者气量，然后进行外球充气到相应拉力值，最后连接好相应负载与配重，进行气球施放。
[0039]
先充外球，其释放步骤为，先预估所需要的平漂高度，选择合适的内外球进行匹配嵌套，然后称量所有配件的重量包括球重、负载重量(仪器绳子伞重等)、配重等，根据净举力公式计算内球与修正所需要的净举力，然后确认外球拉力；之后按计算值要求，先进行外球充气与精准控制到对应的拉力值或者气量，然后进行内球充气量的精准控制到相应拉力值，最后连接好相应负载与配重，进行气球施放。
[0040]
本发明的具体实施方式如下：
[0041]
一、内外球规格搭配与平漂高度范围确定
[0042]
套球平漂原理和内外球搭配与选择的基本原理：
[0043]
理论上，任何规格的气球充入合适气量，都能在其极限高度下实现平漂驻留，然而，一般来说低高度平漂的意义不大，因为低空有较多的低成本可重复的实施手段(如无人机、地面红外探测等)，而平流层中上层20km以上的长时驻留，是目前探测发展的热点。但技术上来说，该高度以上的长时驻留相对较难实现，且成本较高。因此如何以低成本高效率实现20km以上的驻留平漂，是本发明所要解决的问题。本发明我们采用内外套球模式，采用一定的释放控制方法，可以较低成本实现18km-45km范围的平漂。
[0044]
套球平漂原理：套球的组成一般是内球加外球，正常外球作为动力球，在达到膨胀极限后爆炸，其主要作用是让内球突破特殊高空层，如地面至高湿云层(0-9000m)与极限条件的高空区域(16-18km极寒区域)，减少升空中内球的直接暴露时间；而内球作为主要功能的平漂球，通过地面气量精准控制，外球爆炸后，内球继续上升或者下降进行一定范围的姿态调整后，达到高空较为平稳的平漂驻留。
[0045]
该组合模式为内外套球，套球个数为2～3个(见图1)，若套球个数太多(＞3个)，会增加气球整体重量与相应充气量，还会增加各球充气量计量的难度与控制的复杂性，所以实际意义不大。
[0046]
常规气球探测高度一般要求达到25km以上，因为16-18km为极寒区域，在该区域下，温度最低可达-80℃以下，极寒与高空紫外线及其他环境因素作用下，球皮较易老化、脆化，而在高湿环境中(0-9000m)，因为雨水湿润会增加球皮重量，从而影响高空气球的浮重平衡。因此，要求平漂球在0-18km不可停留过久，所以适宜的平漂高度应在18km以上。
[0047]
根据气球规格重量的计算方法，可得到体积与气球重量规格间的关系：
[0048][0049]
注：v为气球体积，d为气球直径，m为气球质量。
[0050]
由体积与重量规格对应关系与施放经验，气球重量规格越大，爆破体积越大，气球升空高度越高，因此需要确认最低气球规格。
[0051]
本发明为了便于计量与操作，所有力的计算(浮力、拉力、重力)，均剔除重力加速
度g，以重量为基准，力的单位为kg或g。
[0052]
因此，浮力公式：f
浮
＝ρgv，变为：f＝ρ.v
[0053]
假定外球在20km爆炸，此时高空气压约55hpa，高空温度约-60℃，地面温度假定为20℃，气压约1000hpa。根据杨彬等人在《气象气球爆破性能与升空性能的相关性研究》中公布的气球高空爆破直径与气压的拟合公式：
[0054]
p＝2971.7
×
d-2.8424
(hpa)
[0055]
可得20km高空爆破直径为4.07m，爆破体积35.3m3。
[0056]
由于高空环境对气球浮力的影响，正常高空爆破直径小于地面爆破直径，根据施放经验，一般高空爆破直径约为地面爆破直径的0.9～0.95，所以，20km高度的地面爆破直径范围应为4.52～4.28m；据株洲橡胶的气球控制指标可知最接近该爆破直径的气球规格为300g气球，其爆破直径为4.8m，因此要实现高空平漂，内球规格应在300g以上。
[0057]
理论上，为了实现平漂可采用任意规格的内外球进行搭配，但某一高度驻留平漂，要求气球至少能上升至该高度，且有足够的膨胀体积以提供足够的浮力，来克服气球本身重量与负载重量实现高空平衡，这就需要平漂气球有一定的重量规格。
[0058]
为实现20km以上高空平漂，假定地面最低总浮力为总球重与负载重量(0.65kg)之和。通过计算得出300套300(300g外球套300g内球)平漂气球高空直径d＝2.98m小于4.28m。因此，300g内外球在20km高度时，不会达到其膨胀极限。
[0059]
根据套球施放经验，为保证内球在18km以上高度平漂，外球要求在20km以上爆炸，以给内球提供一定姿态调整的高度范围，而根据施放经验，300g气球施放平均高度一般在20～23km(见表1)，提供了足够的上升或者下降调整的余地。
[0060]
综上所述，内外球最低规格为300g。
[0061]
表1，常用气球规格与对应高度
[0062]
气球规格/g要求平均高度/km可达平均高度/km30018205002528750303216003538
[0063]
外球球炸高度计算：
[0064]
根据气球规格，计算气球爆炸体积与高度。
[0065]
表2，已知气球爆破直径与爆破体积
[0066]
m重量(g)d爆破直径(m)v爆破体积(m3)100.850.323010.525024.21002.36.42003.318.83004.857.93506.2124.85006.5143.8
6007179.67507.5220.98008268.110008.4310.312009381.7160011696.9
[0067]
根据表2气球规格重量m与气球体积v数据，得到拟合曲线：
[0068]
v＝-2.942875218236453+0.1942405514314622*m+0.0001413545981258259*m^2
[0069]
由此得到大规格2000-9000g气球拟合爆破直径与体积值，见下表3：
[0070]
表3，大规格气球对应爆破直径与爆破体积
[0071][0072][0073]
要确定某一气球的爆炸高度，需确认该气球的规格及其充气量，对某一既定规格的气球而言，其最大膨胀体积或最大膨胀直径(爆破直径)是一定的。一般来说同一个规格气球，地面充气体积越大，其飞行高度越低，根据杨小民等人《浅谈净举力对探空气球升速及施放高度的影响》可知：减少充气量可以提高气球飞行高度，但同时也会降低气球升速。
[0074]
一定升速，才能保证对探测仪器信号的捕捉与探空数据传输效率，一般升速要求≥300m/min。根据750g气球多年施放经验，充气量在1000～2800g时，其对应升速为300～400m/min，对应升速公式为：
[0075][0076]
式中b1、ρ0、ρ参数均为常数，a为净举力，b为载荷(气球球皮、探空仪、绳子、降落伞等)。
[0077]
根据升速不变，仪器绳子等重量假定为0.65kg，计算得到不同规格的气球的总拉力f
总拉
＝a+m
载
，m
载
为负载(仪器、降落伞、绳子、配重等)重量，见表4
[0078]
表4，各升速下净举力与总拉力
[0079][0080]
地面总浮力为气球拉力与内外球重之和：f
总浮
＝f
总拉
+m
内
+m
外
，其中m
内
与m
外
分别为内球与外球的重量，结合表2与表3可得到地面总浮力f
总浮
，假定高空爆破直径均等效为0.9，根据理想气体状态方程与杨炳尉的《标准大气参数的公式表示》中的标准大气参数的公式，得到各拉力下外球爆破时气球高度h
外
，见表5。
[0081]
表5，各升速对应外球球炸高度与高空浮力值
[0082][0083]
根据500套750，750套750，及750套1000的施放经验，外球球炸高度一般在25km-29km，较为接近计算值，故各规格外球球炸高度值应以此计算值为准。
[0084]
一般外球球炸高度确定，再以此高度为基础，通过内球的规格与气量来确认气球正常平漂的高度范围。
[0085]
平漂高度范围确定
[0086]
高空时，根据内球浮重平衡，内球浮力为：
[0087]
f
内浮空
＝m
内
+m
残
+m
载
+m
氢
[0088]
注：m
载
为负载重量，m
残
为外球残余重量，m
氢
为氢气质量。
[0089]
一般气球高空爆破直径约为地面爆破直径的0.9～0.95，则高空爆破体积约为地面的0.73～0.86(膨胀伸缩系数δ)；而一般平漂球内球的净举力较小，该净举力下平漂时的体积一般小于其爆破直径，所以其伸缩比例相对较小，因此伸缩系数δ取值较大。
[0090]
此时，地面内球浮力：f
内浮
＝f
内浮空
/δ
[0091]
根据经验值结合浮力公式，则得到内球地面等效体积v，各计算值见表6：
[0092]
表6，不同规格地面气球内球浮力与其等效体积
[0093]
根据表6气球体积与杨炳尉的大气参数公式得到各高度下温度、压力、密度等参数，结合理想气体状态方程，得到各规格气球在不同高度下的体积表。
[0094]
表7，各规格内球在各高度的体积
[0095][0096]
一般来说气球规格越大，气球所能提供的膨胀体积越大，则气球升空高度越高，因此大规格气球的平漂高度一般较高。
[0097]
由表7各规格气球的爆破体积与不同高度下的膨胀体积，结合外球的球炸高度(表5)，得出气球驻留的高度范围，见表8中有下划线的数字区域。
[0098]
表8，各规格内球常见停留高度范围
[0099][0100]
注：首行重量为气球规格，以上所有高度单位均为米。
[0101]
内外球规格搭配：
[0102]
外球仅提供上升动力与保证升速，在保证内球顺利装入外球的前提下，外球的规格重量越小越好。考虑充气操作方便性与经济成本等问题，内外球规格的选择一般是内球重量大于外球重量，或内外球重量接近，或内球稍小于外球，即：m
内
≥m
外
或m
内
≈m
外
。因此，根据实际生产能力，内球规格范围为：300-9000g，考虑操作便捷性与成本，外球重量范围为300-1600g。
[0103]
关于内外球重量搭配，结合内外球搭配原则与气球施放经验：
[0104]
1、750g以下，外球一般小于内球或与内球同规格；
[0105]
2、1kg～5kg，一般采用750g外球；
[0106]
3、6-7kg，采用750g或1600g外球；
[0107]
4、8kg以上，采用1600g外球。
[0108]
具体搭配见表9。
[0109]
表9，内外球搭配
[0110]
[0111][0112]
注：外球规格1，为本发明确定的最合适的搭配，外球规格2为较常用的搭配；
[0113]
平漂时，根据所需的气球平漂高度范围，在各规格气球平漂高度范围基础上，选择合适的内外球规格进行搭配，如要实现20-30km平漂，最合适的搭配为500套750的组合。
[0114]
二、内外球气量计算
[0115]
内球气量计算：
[0116]
确认平漂范围，选择内外球搭配，这是实现平漂最基础的工作，下一步确认内外球气量。套球要实现平漂，需要对内外球气量实现精准控制，首先需要确定内球气量的范围。
[0117]
由于气球体积或充气量不易准确便捷的计量，本发明将充气量转换成气球拉力，充气后以拉力计或弹簧秤进行拉力计量，拉力较小时，以精准称量的附加配重进行计量配平，从而实现气球充气量的精准控制。
[0118]
套球平漂重点在于内球的气量精准程度，所以为了准确计量内球的气量，需要准确计量整个平漂系统所有影响空中平漂的构件，即准确称量或计量负载仪器(探空仪4、熔断仪器2、放球绳、降落伞3、配重)、内外球重量、外球残余等。
[0119]
内球充气量与拉力计算：
[0120]
在理想状态高空平漂时，考虑高空外球球柄残余，根据受力平衡，则有：
[0121]
f
浮-m
氢
＝ρ
·
v-ρ
氢
·
v＝m
内
+m
载
+m
残
+m
配
[0122]
注：ρ地面大气密度，ρ
氢
地面氢气密度，v地面内球充气体积。
[0123]
为便于操作，内球地面充气时，需把内外球充气至立起来，根据理想气体状态方程、密度及浮力公式，可得到地面内球充气浮力f
浮
，见表10。
[0124]
对于各规格的内外球，依据地面内球充气状态，套球净举力为：
[0125]
a＝f
内拉
+m
外-m
残-m
载-m
配
ꢀꢀ
(1)
[0126]
平漂球净举力a，为升空过程中因环境影响引起浮力变化而在地面提供气球一个净向上或向下的作用力，该力的变化会影响内球地面充气拉力变化，目的是为了实现高空的浮重平衡。m
配
是额外配重，用于调整地面内球净举力，初始假定配重为0，则地面的内球拉
力为：
[0127]
f
内拉
＝a-m
外
+m
残
+m
载
[0128]
另外，由表6可知f
内浮
与膨胀伸缩系数δ，根据地面浮重力差，净举力：a＝f
内浮-g变为：
[0129]
a＝(1-δ)*f
内浮
[0130]
注：g为系统向下重量与作用力的和。
[0131]
根据气体状态方程结合表6，不考虑太阳辐射等因素时，各规格气球的初步内球拉力值f
内拉
与气球净举力值a，见表10。
[0132]
表10，不同规格气球的内球拉力值与净举力
[0133]
m
外
m
内
m
残
m
氢
f
浮
f
内浮
f
内拉
系数δa0.30.30.030.0961.3761.180.490.910.1060.50.50.040.1271.8171.460.330.9020.1430.50.750.040.1452.0851.770.370.8970.1820.750.750.050.1652.3651.800.140.8950.1890.7510.050.1842.6342.110.180.8910.2300.751.60.050.2293.2792.900.320.8710.3750.7520.050.2593.7093.420.410.8650.4620.7530.050.3344.7844.780.700.8430.7510.7540.050.4095.8596.161.000.8291.0540.7550.050.4846.9347.551.320.8191.3670.7560.050.5598.0098.951.640.8111.6920.7570.050.6349.08410.371.980.8042.0321.680.080.77511.10411.911.540.7982.4061.690.080.84912.17913.351.900.7932.770
[0134]
注：地面20℃时大气密度1.19kg/m3，氢气密度0.083kg/m3，气压1000hpa。
[0135]
由表10可知，内球规格3kg以内时，说明可达到平衡的内球气量f
内浮
小于计算的内球气量f
浮
，较小的浮力与净举力即可实现空中平衡，故净举力与内球拉力会稍小于表格中的值；
[0136]
而在内球规格3kg及以上时，说明可达平衡的内球气量f
内浮
大于计算值的内球气量f
浮
，较大的浮力与净举力才可实现平衡，所以气球净举力与内球拉力则会稍大于该计算值；
[0137]
而一般内球拉力会随净举力增大而增加，所以8kg以上规格的内球拉力会大于8kg以下的内球拉力。
[0138]
内球地面充气拉力修正：
[0139]
因为气体在升空膨胀过程中，环境温度变化、气球材质传热性能及太阳辐射等，均会影响气球膨胀性能进而影响气球浮力，因此气球地面上所需浮力并不等于负载，即净举力不为零。因为净举力与内球拉力均为计算值，故与实际操作值会有差异，实际施放时会做修正，才更为符合实际情况。
[0140]
气球平漂有一定的高度范围，且气球不完全符合理想气体状态，故在不同高度气球体积与浮力有一定差异，所以内球拉力与净举力值有一定范围，且内球规格越大，其范围
值越宽。
[0141]
1、一般同一季节同一地点同一班次净举力可调范围：a
±
η*a，η＝5％-20％。
[0142]
2、晚班，因为不存在太阳辐射，气球高空等效直径小于理想膨胀直径，即δ＜1，所以需要正向上的净举力，根据施放经验结合表10，我们得到合适的净举力范围：
[0143]
a
实
＝a+γa＝a+(-0.3～1.6)a(kg)
ꢀꢀ
(2)
[0144]
内球规格在3kg以内，γ取值-0.3-0；内球规格3kg及以上时，γ取值为0-1.6，根据施放经验，气球规格越小γ越大。
[0145]
3、经试验，同样的季节，白班与晚班同一规格气球的内球拉力值或净举力差异范围为100～600g，且内球规格越大，其范围越宽，即白晚班内球拉力与净举力差值为：
[0146]
a
晚-a
白
＝0.1-0.6(kg)
[0147]
4、白班，因太阳辐射影响会增大气球净举力，同时升空中气球膨胀又会降低气球净举力，综合影响后太阳辐射占主导。根据施放数结合表10，得到合适的净举力范围：
[0148]
a
实
＝λa-0.35＝(0.7～2.6)a-0.35(kg)
ꢀꢀ
(3)
[0149]
内球规格3kg以内时，为了方便操作，一般通过配重把内球拉力调整为0，此时净举力λ系数取值0.7-1.2；内球规格3kg及以上时，净举力λ系数一般取值1.2-2.6，且气球规格越小λ越大。
[0150]
同时，因为不同季节大气温度、压力与密度等影响，导致不同季节净举力稍有差异。通过施放验证，我们可以得出以下结论：
[0151]
1、晚上施放，季节对平漂球内球拉力与净举力影响不大，即基本不变；
[0152]
2、白天施放，季节对气球内球拉力稍有影响，一般在原有净举力基础上
±
5％～
±
20％调整；
[0153]
3、白晚班气球的内球拉力与净举力差异一般在0.1～0.6kg，即白班净举力一般比晚班低0.1～0.6kg；
[0154]
内球充气量计算
[0155]
据地面浮重差异，地面内球充气量为内球拉力与内外球重之和，即：
[0156]
f
气量
＝f
内拉
+m
外
+m
内
ꢀꢀ
(4)
[0157]
外球气量计算
[0158]
内外球充气完成后，气球整体可以等效为单球，该单球体积即为外球体积。根据外球球炸高度计算时的外球总拉力，得到各规格内球对应升速(300m/min，350m/min，400m/min)下的总拉力f
总浮
(见表5)，而外球拉力值δf，为气球总浮力减去内球总浮力，即：δf＝f
总浮-f
内浮
，见表11.
[0159]
表11，外球拉力浮力
[0160]
m
外
m
内
m
残
m
氢
f
内浮
f
总浮1
f
总浮2
f
总浮3
δf1δf2δf30.30.30.030.0961.182.052.853.670.871.672.490.50.50.040.1271.462.553.394.251.091.932.790.50.750.040.1451.772.903.84.71.132.032.930.750.750.050.1651.803.154.054.951.352.253.150.7510.050.1842.113.54.455.41.392.343.290.751.60.050.2292.904.35.386.421.402.483.52
0.7520.050.2593.424.855.987.081.432.563.660.7530.050.3344.786.157.458.681.372.673.900.7540.050.4096.167.48.8610.21.242.704.040.7550.050.4847.558.6510.2411.71.102.694.150.7560.050.5598.959.911.613.170.952.654.220.7570.050.63410.3711.112.9414.60.732.574.231.680.080.77511.9113.1515.1116.870.613.204.961.690.080.84913.3514.3516.4218.270.283.074.92
[0161]
外球拉力修正。由于外球决定升速与内球起始高度，根据施放经验，一般有以下结论：
[0162]
1、在大雨大雪时，外球气量在常用拉力基础上增加5％～20％；
[0163]
2、白天，因太阳辐射对内球浮力与净举力增加有一定影响，但对气球整体浮力大小来说影响不大，故外球气量一般可少于晚上也可保持与晚上一样；
[0164]
3、冬季与春季，低空环境温度较低，高空环境差异不大，气球升速只在低空相对较慢，故外球气量可增加5％～20％，也可在常用值基础上维持不变；
[0165]
4、若需要调整升速，一般在常用拉力值下做
±
40％范围的调整；
[0166]
5、一般气球规格越大，外球拉力越大，所以内球8kg及以上的组合，其外球拉力一般大于内球7kg的组合。
[0167]
三、确认充气顺序与内外球气量精准控制
[0168]
平漂球的充气方式，可先冲内球再充外球，也可先充外球再充内球。当采用自动计量充气装置(如自动计量电子秤)时，充气顺序可以自由选择，当以手工操作确认拉力或以配重确认气球气量时，根据便捷性与需要来确认充气顺序。
[0169]
实际施放中需先确认充气顺序，因为不同的操作顺序，气量精准控制难易程度不一样；一般来说外球气量较多，充气时容易影响内球气量的精准控制时，而目前气象台站的施放一般采用手工操作，精准控制相对较难，因此常用的充气方式为先充内球再充外球；
[0170]
对于先充外球，一般要求内外球气球规格均较小，才能在精准控制外球气量后，再进行内球气量精准控制。相对于先充内球，充完外球后继续充内球时，由于外球气量的影响，气球外部空气与内部空气流动影响，内球精准控制难度加大。因此为了简便操作，我们一般选择先充内球。
[0171]
平漂核心是空中内球浮重平衡，因此需要准确控制内球气量。为便于计量与操作，内球充气量采用内球拉力来计量。内球拉力较小时，采用准确称量的平衡配重来计量内球拉力；而内球拉力较大时，采用拉力称或拉力计或者多规格砝码来计量内球拉力。
[0172]
先充内球模式：
[0173]
高空中外球炸后，整个气球系统释放外球重量后剩余残余球柄。根据净举力公式m
配-f
内拉
＝m
外-m
残-m
载-a，通过重量净值与净举力差值m
外-m
残-m
载-a，来确认地面充气量。当差值大于0时，说明外球炸后，重量净值比净举力大，为保证平衡，内球地面充气需以配重来调节到合适的净举力，内球拉力是提供气球向上的作用力，此时内球拉力一般为0，所以此时需要准确称量配重：m
配
＝-a+m
外-m
残-m
载
作为负载随球上天。此种情况多出现在白班内球规格3kg以内，且外球规格处于中间值(500g或750g)时。
[0174]
当重量净值与净举力差值小于0时，说明重量净值比净举力小，则需给气球一个向上的净举力，此时地面充气需要给内球多充一定气量，给气球一个向上的力，即拉力值为正，此时配重一般为0，该拉力值为：f
内拉
＝a-m
外
+m
残
+m
载
。当拉力值较小时，以电子秤称取相应平衡用的配重；拉力值较大时，可用拉力计、拉力称、砝码来准确称量，充气时配重挂附于球柄，待充气完成后取下配重即可，此种情况一般出现在晚班净举力为正值或内球规格3kg及以上时。
[0175]
内球充气完成后，根据确定的外球气量即外球拉力值进行充气，充气至气球整体达到所需的拉力即外球拉力值后结束充气，此拉力可用既定重量的砝码或者拉力称或拉力计进行计量。由于外球气量不是影响平漂关键因素，故外球拉力值允许
±
10％范围的误差。
[0176]
先充外球模式：
[0177]
先充外球时，因需要准确控制内球气量，外球气量也需精准控制，此时需要根据外球拉力与内球拉力之差得出外球气量：f
外气量
＝δf-f
内拉
。外球气量是保证气球升速，一般会比外球重量大的多，可保证外球充气完成后，外球完全立起。当外球气量与内外球重差值：f
外气量-m
外-m
内
＝m
′
配
小于0时，说明外球气量只能保证外球立起，而内外球整体无法完全起立，为准确控制外球气量，此时一般将气球放于电子秤用减重法(即充气时重量减少)确认气球外球气量，应准确控制重量显示值为m
′
配
；当外球气量与内外球重差值大于0时，说明外球能完全支撑起内外球重，此时可用拉力称或拉力计或者精确称量的配重进行m
′
配
计量，计量值应精确为m
′
配
。
[0178]
之后内球进行缓慢充气，精准控制到相应的拉力值(即计算时的外球拉力值)，即完成充气。
[0179]
不论何种充气模式，都需要精确控制气量，充气过多时，则需进行放气或称取额外的配重来配平多余气量，以减少气球净举力，充气完成把配重系挂于球柄，随球升空；气量过少，则继续充气。
[0180]
不同充气顺序，内外球气量控制方法并不相同，但对于内外球的气量计算，不同充气顺序并无差异。
[0181]
四、连接与施放。
[0182]
充气完后，把所有构件如仪器、绳子、降落伞等按要求连接好，检查确认每个部件连接正确牢固，避免升空中部件脱落引起平漂失败。特别注意：对于仅用于拉力值配平用的配重，需要取下，而为减少净举力用的配重，则需作为负载，随球上天。
[0183]
在确认仪器信号正常后，进行气球施放。
[0184]
实际操作步骤：
[0185]
s1：根据所需要平漂高度，确认内球气球规格。确定所需要选择的内外球规格，进行气球嵌套组合。
[0186]
s2：准确称量负载(仪器、绳子、降落伞)、配重等。
[0187]
s3：根据组成构件，进行净举力计算与修正，然后计算出内球拉力值与内球气量；确认与计算出外球拉力值与气量。
[0188]
s4：确认充气顺序与充气。根据充气顺序进行充气，若先充内球，则在充气时，通过配重配平、拉力称量等方式，保证内球精准达到既定拉力值；然后再充外球，达到所需要拉力值。若先充外球，则应通过配重配平、拉力称量等方式使外球精准达到其要求的气量；然
后再充外球，使内球也精准达到所需的拉力值。
[0189]
s5：内外球充完成后，扎紧球柄，然后连接与检查仪器、配重等是否正确牢固连接，确认信号正常后施放。
[0190]
实施例1(500/750)：
[0191]
本实施例提供了一个在湖北武汉气象台站，施放的500套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0192]
2019年7月4日，预计目标气球平漂高度为25km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重552g，内球重777g，负载仪器绳子伞重550g，假定外球残余为50g，称取负载122g。
[0193]
净举力计算初值为182g，按(3)式，λ采用1，得到净举力为-168g，为便于计算取值-170g，所述气球内球拉力0，负载重122g。
[0194]
根据公式(4)，内球气量为1329g，根据升速调整，选择外球拉力计算值为2000g，此时外球气量2000g。
[0195]
按要求充气完成后，7:26时施放。外球球炸高度25230m，气球平漂高度范围23700-26200m，平漂时长4.75h，平漂时长达标后，熔断仪器启动平漂计时结束。
[0196]
实施例2(500/750)：
[0197]
本实施例提供了一个在湖北武汉气象台站，施放的500套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0198]
2019年5月27日，预计目标气球平漂高度为28km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重531g，内球重760g，负载仪器绳子伞重640g，假定外球残余为50g。
[0199]
净举力计算初值为182g，根据(2)式，γ取值-0.15，得到净举力为155g；
[0200]
根据公式(1)，计算所述气球内球拉力314g，负载重0。
[0201]
根据公式(4)，此时内球气量1605g，根据升速调整，选择外球拉力计算值为2200g，外球气量1886g。
[0202]
按要求充气完成后，19:53时施放。外球球炸高度27800m，气球平漂高度范围31220-31460m，平漂时长4.2h，平漂时长达标后，熔断仪器启动平漂计时结束。
[0203]
实施例3(500/750)：
[0204]
本实施例提供了一个在江西南昌气象台站，施放的500套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0205]
2019年5月27日，预计目标气球平漂高度为25km，采用先充外球，再充内球方式，以自动计量充气量装置进行充气，确认外球约为550g，内球重770g，负载仪器绳子伞重656g，假定外球残余为50g；固定负载重133g。
[0206]
净举力计算初值为182g，按(3)式，λ采用1.04，得到净举力为-160g。
[0207]
根据公式(4)，此时计算内球气量1449g，根据升速调整，选择外球气量2000g。
[0208]
按要求充气完成后，7:34时施放，外球球炸高度27238m，气球平漂高度范围18300-25000m，平漂时长14h，探空仪器没电，信号丢失。
[0209]
实施例4(500/750)：
[0210]
本实施例提供了一个在江西南昌气象台站，施放的500套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0211]
2019年5月27日，预计目标气球平漂高度为28km，采用先充外球，再充内球方式，以
自动计量充气量装置进行充气，确认外球重约550g，内球重787g，负载仪器绳子伞重678g，假定外球残余为50g；固定负载重133g，
[0212]
净举力计算初值为182g，根据(2)式，γ取值0得到净举力为182g，取值180g。
[0213]
根据公式(4)，内球气量2098g，根据升速调整，选择外球气量2110g。
[0214]
按要求充气完成后，19:53时施放，外球球炸高度26371m，气球平漂高度范围21260-28610m，平漂时长12h，探空仪器没电，信号丢失。
[0215]
实施例5(750/750)：
[0216]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0217]
2018年6月17日，预计目标气球平漂高度为25km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重751g，内球重767g，负载仪器绳子伞重424g，假定外球残余为50g；称取负载467g。
[0218]
净举力计算初值为189g，按(3)式，λ采用0.85，得到净举力为-189g，为便于计算取值-190g。
[0219]
根据公式(1)，计算负载重467g，内球拉力0。
[0220]
根据公式(4)，此时内球气量1518g，根据升速调整，选择外球拉力值为2100g，外球气量2100g。
[0221]
按要求充气完成后，7:24时施放，外球球炸高度29180m，气球平漂高度范围25790-28370m，平漂时长4.5h，平漂时长达标后，熔断仪器启动平漂计时结束。
[0222]
实施例6(750/750)：
[0223]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套750胶乳平漂探空气球，具体为：
[0224]
2018年6月17日，预计目标气球平漂高度为28km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重753g，内球重775g，负载仪器绳子伞重493g，假定外球残余为50g。
[0225]
净举力计算初值为182g，根据(2)式，γ取值-0.12，得到净举力为160g，
[0226]
根据公式(1)，计算内球拉力50g，负载重为0。
[0227]
根据公式(4)，此时内球气量1578g，根据升速调整，选择外球拉力值为2100g，外球气量2050g。
[0228]
按要求充气完成后，19:31时施放，外球球炸高度31000m，气球平漂高度范围33210-33240m，平漂时长3.95h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0229]
实施例7(750/1000)：
[0230]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套1000胶乳平漂探空气球，具体为：
[0231]
2017年10月26日，预计目标气球平漂高度为30km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重808g，内球重1097g，负载仪器绳子伞重621.5g，假定外球残余为50g。
[0232]
净举力计算初值为230g，根据(2)式，γ取值-0.22，得到净举力为181g，为便于计算取值180g。
[0233]
根据公式(1)，计算内球拉力43.5g，负载重0。
[0234]
根据公式(4)，此时内球气量1948.5g，根据升速调整，选择外球拉力值为3500g，外球气量3456.5g。
[0235]
按要求充气完成后，20:40时施放，外球球炸高度29783m，气球平漂高度范围30999-31791m，平漂时长8h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0236]
实施例8(750/1000)：
[0237]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套1000胶乳平漂探空气球，具体为：
[0238]
2017年12月19日，预计目标气球平漂高度为28km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重798g，内球重1077g，负载仪器绳子伞重531g，假定外球残余为50g；称取负载429g。
[0239]
净举力计算初值为230g，按(3)式，λ采用0.74，得到净举力为-180g，
[0240]
根据公式(1)，计算内球拉力32g，负载重429g。
[0241]
根据公式(4)，此时内球气量1907g，根据升速调整，选择外球拉力值为2400g，外球气量2368g。
[0242]
按要求充气完成后，7:15时施放，外球球炸高度30184m，气球平漂高度范围26000-25806m，平漂时长6h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0243]
实施例9(750/3000)：
[0244]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套3000胶乳平漂探空气球，具体为：
[0245]
2013年1月11日，预计目标气球平漂高度为35km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重768g，内球重3868g，负载仪器绳子伞重320g，假定外球残余为50g；称取负载248g。
[0246]
净举力计算初值为751g，按(3)式，λ采用2.56，得到净举力为1572g，取值1570g。
[0247]
根据公式(1)，内球拉力1370g，负载重248g。
[0248]
根据公式(4)，此时内球气量6006g，根据升速调整，选择外球拉力值为2950g，外球气量1580g。
[0249]
按要求充气完成后，7时施放，气球平漂高度范围37489-37850m，平漂时长5.5h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0250]
实施例10(750/3000)：
[0251]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的750套3000胶乳平漂探空气球，具体为：
[0252]
2013年1月11日，预计目标气球平漂高度为35km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重776g，内球重3300g，负载仪器绳子伞重329g，假定外球残余为50g；称取负载207g。
[0253]
净举力计算初值为751g，根据(2)式，γ取值1.6，得到净举力为1952g，为便于计算取值1950g。
[0254]
根据公式(1)，计算内球拉力1710g，负载重207g。
[0255]
根据公式(4)，此时内球气量5786g，根据升速调整，选择外球拉力值为4500g，外球气量2790g。
[0256]
按要求充气完成后，19时施放，气球平漂高度范围36453-37050m，平漂时长5h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0257]
实施例11(1600/8000)：
[0258]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的1600套8000胶乳平漂探空气
球，具体为：
[0259]
2017年11月7日，预计目标气球平漂高度为40km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重1628g，内球重8623g，负载仪器绳子伞重332g，假定外球残余为80g；称取负载1046g。
[0260]
净举力计算初值为2406g，根据(2)式，γ取值0.27，得到净举力为3055g，为便于计算取值3050g。
[0261]
根据公式(1)，计算内球拉力2400g，负载重1046g。
[0262]
根据公式(4)，此时内球气量12651g，根据升速调整，选择外球拉力值为4700g，外球气量2300g。
[0263]
按要求充气完成后，17时施放，气球平漂高度范围40758-41250m，平漂时长4.2h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0264]
实施例12(1600/8000)：
[0265]
本实施例提供了一个在湖南长沙气象台站，施放的1600套8000胶乳平漂探空气球，具体为：
[0266]
2017年11月7日，预计目标气球平漂高度为40km，采用先充内球，再充外球方式，确认外球重1676g，内球重8315g，负载仪器绳子伞重329g，假定外球残余为80g；称取负载717g。
[0267]
净举力计算初值为2406g，按(3)式，λ采用1.24，得到净举力为2633g，取值2630g。
[0268]
根据公式(1)，计算内球拉力2000g，负载重717g。
[0269]
根据公式(4)，此时内球气量11991g，根据升速调整，选择外球拉力值为4300g，外球气量2300g。
[0270]
按要求充气完成后，13时施放，气球平漂高度范围42187-43053m，平漂时长3.75h，仪器没电，信号丢失计时中断。
[0271]
本发明通过确认不同平漂高度要求，选择不同内外球规格搭配，计算确定内外各球的充气量，然后根据不同充气顺序，精准控制内外气球充气量，以实现气球在一定高度范围的长时驻留。2019年4月至6月，在我国中部地区6个气象台站进行了平漂球施放，有效施放次数257次，平均施放成功率78.2％，其中4台站成功率在80％以上，4h平漂成功率在90％以上。
[0272]
本发明的组合球较塑料薄膜球成本相对低廉，一般典型球(500套750)其成本可控制在400元以内，即使实现40km以上高度平漂的气球，其成本也在万元以内。
[0273]
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除