出征珠峰的“極目一號”帶了哪些硬核技術丨觀天測地

2022-10-29 13:52:00

來源:中國科學院空天信息創新研究院

編者按:從古至今,人類從未停止過探索未知世界的腳步,認知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學院空天信息創新研究院聯合開設“觀天測地”專欄,為大家介紹天上地上探索的那些事兒,帶來空天信息領域最新進展,普及科學知識。
       今年5月,“巔峰使命”珠峰科考創造了浮空艇大氣科學觀測世界紀錄。5月15日凌晨,由中科院空天信息創新研究院(以下簡稱“空天院”)自主研發的“極目一號”Ⅲ型浮空艇升空高度達到4762米,創造了海拔9032米的大氣科學觀測世界紀錄。這是世界上首次在珠峰地區從海拔9000米以上高空,觀測水汽、溫室氣體等參數的變化特點。
       “極目一號”Ⅲ型浮空艇本次“出征”珠峰,技術難度、駐空高度、攜帶載荷種類在已知的高原型系留浮空艇中前所未有,研制難點頗多。今天我們來詳細看看科研人員究竟攻克了哪些難點,突破了哪些硬核技術?

在珠峰駐空飛行的“極目一號”Ⅲ型浮空艇

浮空艇可靠性、穩定性要求嚴苛
     “極目一號”Ⅲ型浮空艇55米長,體積為9060立方米。這么巨大的體型是經過精密計算得出的優化尺寸,為了將既定的多種大質量載荷從地面攜帶至海拔9000米的對流層上部。
       9000米海拔低溫低壓高風速環境條件下,對浮空艇平臺系統的可靠性提出了嚴苛的要求。艇體材料是浮空艇“翱翔天際”的關鍵結構,需要具有良好的低溫、高溫性能,同時還要抗老化、抗揉搓以及需要具備良好的氣密性能。為此,科研人員進行跨所間的聯合攻關,最終研發的材料經過層層測試,性能完全達到了要求。這是一種由我國自主研發的輕質低密度高強抗輻射復合織物材料,復合織物材料可以對整個浮空艇進行有效保護與支撐,阻擋外部雨雪風沙的同時,也可減少內部氣體泄漏,極大地增加了浮空艇的使用壽命與復用次數。這不僅解決了艇體材料的問題,而且在珠峰地區嚴苛的環境條件下應用尚屬首次,具有重大的科學研究和工程應用意義。此外,“極目一號”Ⅲ型浮空艇的主纜也是與其他單位合作研制完成,不僅能夠承受浮空艇巨大的浮力,還肩負著艇上設備與地面的通訊、供電等功能,是浮空艇能“得勝歸來”的關鍵結構。
       海拔9000米高度的復雜電磁環境、低溫低氣壓高風速環境等條件,對浮空艇的艇體、控制系統、能源系統以及錨泊系統的穩定性也提出了巨大考驗。一方面,科研人員開展了充分的環境模擬實驗和狀態調試,針對高空低溫低氣壓的極端情況,對原本開放的設備艙體進行專門的保溫保壓設計;同時針對高原電磁環境復雜的特點開展電磁兼容設計,在之前供配電系統設計的基礎上,提出增加電氣間隙,提高擊穿電壓,克服海拔區域空氣稀薄、氣壓低、電氣間隙過小導致的擊穿電壓降低問題;并針對低溫低壓環境增加大氣壓和溫度監測以及艙內主動溫控措施。經過多輪的設計、試驗、改進、優化, “極目一號”Ⅲ型浮空艇艇體、供電、測控、錨泊等各分系統的設備全部工作正常,保證了載荷設備在本次科考試驗中獲取了寶貴的有效科考數據。
       另一方面,科研人員還必須在出征前進行充分的外場聯調測試。為了滿足這個9000多立方米的“大家伙”對場地的需求,科研人員首先選擇在河北省衡水市桃城機場的室外場地開展集成聯調測試,解決了這個 “大家伙”的聯調問題。這是系留浮空艇系統首次進行室外集成聯調,也是“出征”珠峰前最后的狀態檢驗。為了搶時間、搶測試窗口,全隊人員經常連夜通宵奮戰,最終確保“極目一號”Ⅲ型浮空艇各系統達到最佳狀態,迎接最終珠峰科考的實戰檢驗。
      構建全產業鏈條 迭代升級關鍵技術
       為使任務圓滿完成,空天院浮空艇平臺團隊構建了從設計、仿真、測試、系統集成、外場試驗的全產業鏈流程,對艇體材料、測控系統、能源系統、錨泊設備等進行了深度的攻關研究,迭代升級。“極目一號”III型浮空艇更是過去多年研發積累下來新技術的一次集中體現。據不完全統計,與“極目一號”III型浮空艇相關的申請專利有30余件,覆蓋艇體設計、結構、飛控、能源等多個領域。
       以“硬式充氣口”專利為例,在“極目一號”III型浮空艇部署初期,需要將大量的高壓氦氣從儲氣罐充入艇體內??蒲腥藛T發現,當高壓氦氣充入艇體,會對艇體材料產生沖擊,影響浮空艇的安全,高分貝噪音還會對現場的操作人員帶來聽力的損傷。
       經過研究,科研人員發明了 “硬式充氣口”,采用獨特的結構設計及緩沖材料,有效降低了充氣過程的噪聲,提高了充氣速度,同時極大緩解了充氣口附近艇體材料的抖動問題,實現了充氣過程中充氣口附近可以無人值守的目標,減少了人員需求,在多次試驗中均取得了良好的效果。
       此外,針對充氣速度慢問題,科研人員還發明了快速充氣減壓裝置,對高壓氣體進行減壓、減速、減流,實現了每小時可充入2500公斤浮力氦氣的目標,大大提升了充氣效率;針對浮空艇保溫板裝配與拆除速度慢問題,發明了快速拆裝保溫板,通過在保溫板上增加硬式包邊以及多個快速拆裝卡扣結構,實現了保溫板的重復利用以及快速拆裝,同時兼顧了外觀美觀的需求。
       浮空艇多領域落地應用
       “極目一號”III型浮空艇為空天院團隊目前研制成功的最大的浮空艇平臺。除此之外,還有面向不同載荷重量、升空高度的其他小型系留氣球平臺,如KX15、KX25及KX36等型號,均已比較成熟可靠,實現了落地應用。
        例如,科研人員利用這些不同型號的浮空艇,曾在可可西里地區觀測藏羚羊等野生動物的活動;曾在內蒙古地區開展草畜資源狀態監測,為草畜平衡模型構建,創建生態草牧業科技體系提供平臺支持;曾在東海海域開展“智慧海洋”應急通信試驗網絡項目船載系統的綜合集成演示驗證等,都取得了良好的效果。
       經此“出征”珠峰,科研人員對高海拔地區開展大型浮空艇試驗積累了較多的實戰經驗,對于后續開展大規模試驗有很大的參考意義,包括平臺研發、人才培養、任務統籌等各個方面,均有不小的收獲。尤其是在科學觀測方面積累了高海拔地區浮空艇升空過程中艇體狀態、飛行控制、能源消耗、結構強度、高空風場、地面風場等諸多一手數據,可以為后續在青藏高原地區開展試驗提供重要的數據支撐??蒲腥藛T還將不斷在艇體優化、結構輕量化設計、飛控策略以及能源結構等方面繼續優化升級、創新發展,使得浮空艇系統載荷設備攜帶更多、系統更穩健、駐空時間更長等。
       作者:何澤青、秦玉梅、屈維
       來源:中國科學院空天信息創新研究院

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