出征珠峰的“极目一号”带了哪些硬核技术丨观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

今年5月，“巅峰使命”珠峰科考创造了浮空艇大气科学观测世界纪录。5月15日凌晨，由中科院空天信息创新研究院（以下简称“空天院”）自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇升空高度达到4762米，创造了海拔9032米的大气科学观测世界纪录。这是世界上首次在珠峰地区从海拔9000米以上高空，观测水汽、温室气体等参数的变化特点。

“极目一号”Ⅲ型浮空艇本次“出征”珠峰，技术难度、驻空高度、携带载荷种类在已知的高原型系留浮空艇中前所未有，研制难点颇多。今天我们来详细看看科研人员究竟攻克了哪些难点，突破了哪些硬核技术？

在珠峰驻空飞行的“极目一号”Ⅲ型浮空艇

浮空艇可靠性、稳定性要求严苛

“极目一号”Ⅲ型浮空艇55米长，体积为9060立方米。这么巨大的体型是经过精密计算得出的优化尺寸，为了将既定的多种大质量载荷从地面携带至海拔9000米的对流层上部。

9000米海拔低温低压高风速环境条件下，对浮空艇平台系统的可靠性提出了严苛的要求。艇体材料是浮空艇“翱翔天际”的关键结构，需要具有良好的低温、高温性能，同时还要抗老化、抗揉搓以及需要具备良好的气密性能。为此，科研人员进行跨所间的联合攻关，最终研发的材料经过层层测试，性能完全达到了要求。这是一种由我国自主研发的轻质低密度高强抗辐射复合织物材料，复合织物材料可以对整个浮空艇进行有效保护与支撑，阻挡外部雨雪风沙的同时，也可减少内部气体泄漏，极大地增加了浮空艇的使用寿命与复用次数。这不仅解决了艇体材料的问题，而且在珠峰地区严苛的环境条件下应用尚属首次，具有重大的科学研究和工程应用意义。此外，“极目一号”Ⅲ型浮空艇的主缆也是与其他单位合作研制完成，不仅能够承受浮空艇巨大的浮力，还肩负着艇上设备与地面的通讯、供电等功能，是浮空艇能“得胜归来”的关键结构。

海拔9000米高度的复杂电磁环境、低温低气压高风速环境等条件，对浮空艇的艇体、控制系统、能源系统以及锚泊系统的稳定性也提出了巨大考验。一方面，科研人员开展了充分的环境模拟实验和状态调试，针对高空低温低气压的极端情况，对原本开放的设备舱体进行专门的保温保压设计；同时针对高原电磁环境复杂的特点开展电磁兼容设计，在之前供配电系统设计的基础上，提出增加电气间隙，提高击穿电压，克服海拔区域空气稀薄、气压低、电气间隙过小导致的击穿电压降低问题；并针对低温低压环境增加大气压和温度监测以及舱内主动温控措施。经过多轮的设计、试验、改进、优化，“极目一号”Ⅲ型浮空艇艇体、供电、测控、锚泊等各分系统的设备全部工作正常，保证了载荷设备在本次科考试验中获取了宝贵的有效科考数据。

另一方面，科研人员还必须在出征前进行充分的外场联调测试。为了满足这个9000多立方米的“大家伙”对场地的需求，科研人员首先选择在河北省衡水市桃城机场的室外场地开展集成联调测试，解决了这个 “大家伙”的联调问题。这是系留浮空艇系统首次进行室外集成联调，也是“出征”珠峰前最后的状态检验。为了抢时间、抢测试窗口，全队人员经常连夜通宵奋战，最终确保“极目一号”Ⅲ型浮空艇各系统达到最佳状态，迎接最终珠峰科考的实战检验。

构建全产业链条 迭代升级关键技术

为使任务圆满完成，空天院浮空艇平台团队构建了从设计、仿真、测试、系统集成、外场试验的全产业链流程，对艇体材料、测控系统、能源系统、锚泊设备等进行了深度的攻关研究，迭代升级。“极目一号”III型浮空艇更是过去多年研发积累下来新技术的一次集中体现。据不完全统计，与“极目一号”III型浮空艇相关的申请专利有30余件，覆盖艇体设计、结构、飞控、能源等多个领域。

以“硬式充气口”专利为例，在“极目一号”III型浮空艇部署初期，需要将大量的高压氦气从储气罐充入艇体内。科研人员发现，当高压氦气充入艇体，会对艇体材料产生冲击，影响浮空艇的安全，高分贝噪音还会对现场的操作人员带来听力的损伤。

经过研究，科研人员发明了 “硬式充气口”，采用独特的结构设计及缓冲材料，有效降低了充气过程的噪声，提高了充气速度，同时极大缓解了充气口附近艇体材料的抖动问题，实现了充气过程中充气口附近可以无人值守的目标，减少了人员需求，在多次试验中均取得了良好的效果。

此外，针对充气速度慢问题，科研人员还发明了快速充气减压装置，对高压气体进行减压、减速、减流，实现了每小时可充入2500公斤浮力氦气的目标，大大提升了充气效率；针对浮空艇保温板装配与拆除速度慢问题，发明了快速拆装保温板，通过在保温板上增加硬式包边以及多个快速拆装卡扣结构，实现了保温板的重复利用以及快速拆装，同时兼顾了外观美观的需求。

浮空艇多领域落地应用

“极目一号”III型浮空艇为空天院团队目前研制成功的最大的浮空艇平台。除此之外，还有面向不同载荷重量、升空高度的其他小型系留气球平台，如KX15、KX25及KX36等型号，均已比较成熟可靠，实现了落地应用。

例如，科研人员利用这些不同型号的浮空艇，曾在可可西里地区观测藏羚羊等野生动物的活动；曾在内蒙古地区开展草畜资源状态监测，为草畜平衡模型构建，创建生态草牧业科技体系提供平台支持；曾在东海海域开展“智慧海洋”应急通信试验网络项目船载系统的综合集成演示验证等，都取得了良好的效果。

经此“出征”珠峰，科研人员对高海拔地区开展大型浮空艇试验积累了较多的实战经验，对于后续开展大规模试验有很大的参考意义，包括平台研发、人才培养、任务统筹等各个方面，均有不小的收获。尤其是在科学观测方面积累了高海拔地区浮空艇升空过程中艇体状态、飞行控制、能源消耗、结构强度、高空风场、地面风场等诸多一手数据，可以为后续在青藏高原地区开展试验提供重要的数据支撑。科研人员还将不断在艇体优化、结构轻量化设计、飞控策略以及能源结构等方面继续优化升级、创新发展，使得浮空艇系统载荷设备携带更多、系统更稳健、驻空时间更长等。

作者：何泽青、秦玉梅、屈维

来源：中国科学院空天信息创新研究院