在西藏自治區(qū)被稱為“東方瑞士”的魯朗鎮(zhèn)的一處空地上，今年8月初來了一位“不速之客”——被形象稱為“大白鯨”的巨型氣球，一同前來的還有一群守護(hù)它的科研人員，他們圍著“大白鯨”日落而作、日出而息，頗受關(guān)注。

　　“大白鯨”的守護(hù)者——中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(空天院)浮空艇團(tuán)隊(duì)介紹說，“大白鯨”大名為“極目一號(hào)”浮空艇(也稱系留氣球)，是中國科學(xué)院空天院重要的綠色科研觀測(cè)設(shè)備平臺(tái)，從8月份進(jìn)駐魯朗開展科研試驗(yàn)任務(wù)到9月19日，“大白鯨”已累計(jì)完成30次升空飛行驗(yàn)證，覆蓋不同高度層與氣象條件，為后續(xù)技術(shù)優(yōu)化提供了大量實(shí)測(cè)依據(jù)。

　　跨越：從單點(diǎn)采樣到立體監(jiān)測(cè)

　　作為中國第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究(第二次青藏科考)項(xiàng)目任務(wù)之一，9月18日晚至19日清晨，浮空艇團(tuán)隊(duì)在魯朗最新開展一次“極目一號(hào)”浮空艇大氣觀測(cè)試驗(yàn)，搭載3大類共16型、總重量約200公斤的科學(xué)載荷，成功升空至海拔5500米高度，通過多載荷協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)浮空艇從單點(diǎn)采樣到立體監(jiān)測(cè)的技術(shù)跨越。

9月18日晚，“極目一號(hào)”浮空艇大氣觀測(cè)試驗(yàn)在魯朗開展。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　中國科學(xué)院空天院正高級(jí)工程師、浮空艇團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張?zhí)┤A介紹說，青藏高原素有“世界屋脊”“地球第三極”和“亞洲水塔”之譽(yù)。在第二次青藏科考“亞洲水塔動(dòng)態(tài)變化與影響”任務(wù)的支持下，中國科學(xué)院所屬多個(gè)研究院所緊密協(xié)作，自主研發(fā)出“極目一號(hào)”浮空艇和觀測(cè)載荷，并經(jīng)過持續(xù)迭代升級(jí)實(shí)現(xiàn)新突破。

　　作為中國高原浮空觀測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，“極目一號(hào)”浮空艇核心優(yōu)勢(shì)集中在大載重能力、超長(zhǎng)續(xù)航時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)抗干擾性能及對(duì)復(fù)雜環(huán)境的高適應(yīng)性上，可在惡劣工況下穩(wěn)定執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)。此次魯朗試驗(yàn)聚焦高原復(fù)雜環(huán)境，浮空艇成功克服多重嚴(yán)苛限制，不僅要應(yīng)對(duì)高原局地突發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣，規(guī)避氣流紊亂對(duì)艇體穩(wěn)定性的沖擊，還需耐受高空零度以下的低溫環(huán)境。

　　他表示，本次試驗(yàn)精準(zhǔn)獲取了大氣組分、污染物分布、云三維微物理參數(shù)等關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，載荷種類多、測(cè)試數(shù)據(jù)豐富，將為青藏高原研究提供核心數(shù)據(jù)支撐，助力深度解析高原氣候環(huán)境變化規(guī)律，為“亞洲水塔”及全球氣候變化敏感區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為揭示高原生態(tài)系統(tǒng)奧秘提供全新視角。

　　創(chuàng)新：構(gòu)建自主可控技術(shù)體系

　　作為“亞洲水塔”和全球氣候變化敏感區(qū)域，青藏高原環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。早在2017年，中國科學(xué)院空天院浮空艇團(tuán)隊(duì)便挺進(jìn)可可西里腹地，開啟與青藏高原的“云端之約”。

　　中國科學(xué)院空天院正高級(jí)工程師、浮空艇團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)指揮何澤青指出，面對(duì)零下30℃的極寒、每秒25米的強(qiáng)風(fēng)以及海拔4700米的低氣壓環(huán)境，初代浮空艇裝備出現(xiàn)充氣速度慢、艇體泄露率較大、設(shè)備低溫性能下降等問題。針對(duì)這些在高原出現(xiàn)的狀況，團(tuán)隊(duì)以應(yīng)用為導(dǎo)向，長(zhǎng)期攻堅(jiān)克難，持續(xù)對(duì)浮空艇艇體、控制、能源、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和迭代優(yōu)化，成功構(gòu)建自主可控的技術(shù)體系。

　　在電磁與溫壓適配方面，團(tuán)隊(duì)針對(duì)高原復(fù)雜電磁環(huán)境，優(yōu)化供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過增加電氣間隙提升擊穿電壓，解決高海拔空氣稀薄導(dǎo)致的絕緣性能下降問題；同時(shí)加裝大氣壓、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊及艙內(nèi)主動(dòng)溫控裝置，確保設(shè)備能在高空低溫低壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)充氣效率與安全雙升級(jí)。在浮空艇部署初期，需要將大量的高壓氦氣從儲(chǔ)氣罐快速充入艇體內(nèi)，這一過程會(huì)對(duì)艇體材料產(chǎn)生沖擊、影響浮空艇安全，高分貝噪音還會(huì)對(duì)操作人員帶來聽力損傷。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)出“硬式充氣口”專利技術(shù)，采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與緩沖材料，既降低高壓氦氣充氣時(shí)的噪音、避免操作人員聽力損傷，又緩解艇體材料振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)充氣口附近“無人值守”。

　　同時(shí)，搭配“快速充氣減壓裝置”對(duì)高壓氣體進(jìn)行減壓、增速，將氦氣充氣速度提高兩倍以上，充氣時(shí)間縮短一半，極大縮短充氣時(shí)間，多次試驗(yàn)驗(yàn)證效果顯著。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近5年來，團(tuán)隊(duì)圍繞浮空艇申請(qǐng)專利60余件，既為浮空艇在升空高度突破、載荷集成效率、數(shù)據(jù)獲取精度等方面實(shí)現(xiàn)持續(xù)迭代創(chuàng)新提供核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)支撐，也為空天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新突破奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　應(yīng)用：空中多面手賦能多領(lǐng)域

　　據(jù)中國科學(xué)院空天院介紹，浮空器是一種利用內(nèi)部充填密度低于空氣的氣體(通常為氦氣)而產(chǎn)生浮力的航空器，其出現(xiàn)時(shí)間早于飛機(jī)，是一種古老的航天器。

9月18日晚，“極目一號(hào)”浮空艇大氣觀測(cè)試驗(yàn)在魯朗開展。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　作為浮空器的重要類別，浮空艇憑借其駐空時(shí)間長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、部署靈活、載重能力強(qiáng)以及操控成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，在很多應(yīng)用場(chǎng)景中具備其他航空器不可比擬的競(jìng)爭(zhēng)力。“極目一號(hào)”浮空艇也成為體現(xiàn)中國浮空觀測(cè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新水平的標(biāo)桿產(chǎn)品。

　　歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，中國科學(xué)院空天院浮空艇產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)從早期單一型號(hào)試驗(yàn)的突破，逐步構(gòu)建起覆蓋“小型-中型-大型-超大型”的全規(guī)格產(chǎn)品矩陣，形成極具競(jìng)爭(zhēng)力的系列化產(chǎn)品譜系。

　　中國科學(xué)院空天院蔡榕研究員表示，該院目前形成的全規(guī)格浮空艇產(chǎn)品譜系，已在科學(xué)觀測(cè)、應(yīng)急通信、草原生態(tài)、海洋中繼通信、對(duì)地觀測(cè)及安全防控等場(chǎng)景成功應(yīng)用，深度賦能生態(tài)、應(yīng)急、通信、科研等關(guān)鍵領(lǐng)域，成為服務(wù)國計(jì)民生的重要技術(shù)支撐。

　　其中，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，浮空艇團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新融合高分辨率光譜成像與人工智能識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼倫貝爾草原草場(chǎng)長(zhǎng)勢(shì)、退化區(qū)域、牲畜數(shù)量和分布的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為草原生態(tài)與畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與牧民收益的雙贏。

　　在海洋監(jiān)測(cè)與通信領(lǐng)域，浮空艇團(tuán)隊(duì)成功研制中國首套船基浮空艇裝備，并在中國管轄海域完成多輪演示驗(yàn)證。該裝備搭載的專用通信基站，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期演進(jìn)信號(hào)(LTE)超數(shù)千平方公里范圍覆蓋、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)(AIS)超200公里以上距離接收及求救信號(hào)(SOS)超100公里距離接收，為中國智慧海洋建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

　　在科學(xué)考察支撐領(lǐng)域，浮空艇自2017年起便深度參與第二次青藏科考，已在青藏高原的魯朗、納木錯(cuò)、珠峰、雙湖、可可西里、塔什庫爾干等核心區(qū)域先后開展系統(tǒng)性科學(xué)觀測(cè)。其中，在2022年第二次青藏科考中，“極目一號(hào)”浮空艇升空至海拔9050米，突破同類型浮空艇升空觀測(cè)高度的世界記錄。

　　通過搭載氣象、環(huán)境、地質(zhì)等多種科學(xué)觀測(cè)載荷實(shí)施升空探測(cè)，浮空艇累計(jì)獲取海量高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，為國家重大科研項(xiàng)目的立項(xiàng)論證、過程研究與成果轉(zhuǎn)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，有效助力青藏科考領(lǐng)域的科研突破。

　　中國科學(xué)院空天院副研究員尚華哲在魯朗試驗(yàn)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)接受媒體采訪稱，“極目一號(hào)”浮空艇可對(duì)目標(biāo)區(qū)域垂直大氣環(huán)境進(jìn)行精細(xì)觀測(cè)，相關(guān)數(shù)據(jù)將助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)。

　　從青藏高原科學(xué)觀測(cè)到遠(yuǎn)海通信保障、從草原生態(tài)精細(xì)監(jiān)測(cè)到助力精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)……中國浮空器(艇)技術(shù)正以“多面手”姿態(tài)融入國計(jì)民生關(guān)鍵場(chǎng)景。浮空艇團(tuán)隊(duì)表示，隨著魯朗試驗(yàn)任務(wù)取得的新突破，中國這一自主創(chuàng)新技術(shù)將持續(xù)向更穩(wěn)架構(gòu)、更高性能、更廣應(yīng)用邁進(jìn)。

　　優(yōu)勢(shì)：持續(xù)技術(shù)迭代實(shí)現(xiàn)全面升級(jí)

　　自2017年首次赴青藏高原試驗(yàn)到今年魯朗試驗(yàn)任務(wù)順利開展，“極目一號(hào)”浮空艇技術(shù)已在高原歷經(jīng)8年試驗(yàn)迭代升級(jí)，中國科學(xué)院空天院浮空艇系列裝備也在持續(xù)技術(shù)迭代中實(shí)現(xiàn)了全面升級(jí)。

　　浮空艇團(tuán)隊(duì)說，通過持續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)推動(dòng)“極目一號(hào)”系統(tǒng)進(jìn)階：氣球外形持續(xù)優(yōu)化，氣動(dòng)穩(wěn)定性大幅提升，多次經(jīng)受住高原惡劣天氣考驗(yàn)；控制系統(tǒng)從單機(jī)模式升級(jí)為多冗余模式，優(yōu)化獨(dú)立安控系統(tǒng)，新增器件級(jí)保護(hù)模塊，共同強(qiáng)化系統(tǒng)可靠性、應(yīng)急處置能力，確保高原低溫、低氣壓、復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

　　同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用高低壓設(shè)備分艙隔離和電磁屏蔽強(qiáng)化，顯著提升球載設(shè)備穩(wěn)定性；氦氣減壓裝置的成功研發(fā)將充氣速度提升兩倍以上，極大縮短高原野外環(huán)境下的充氣操作時(shí)間；對(duì)高原環(huán)境也從陌生到熟悉，從最初的依賴城市天氣預(yù)報(bào)，升級(jí)為由多源氣象預(yù)報(bào)、雷電預(yù)警、六要素地面氣象站構(gòu)成的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

9月18日下午，“極目一號(hào)”浮空艇大氣觀測(cè)試驗(yàn)完成任務(wù)前相關(guān)測(cè)試工作，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)代表在現(xiàn)場(chǎng)合影。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“極目一號(hào)”浮空艇系統(tǒng)持續(xù)升級(jí)離不開國家科研項(xiàng)目的持續(xù)支持：第二次青藏科考為浮空艇提供高原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與不間斷試驗(yàn)機(jī)會(huì)，團(tuán)隊(duì)在海拔4000米以上試驗(yàn)場(chǎng)直面低氣壓、極端溫差等挑戰(zhàn)，以“試驗(yàn)-改進(jìn)-再試驗(yàn)”的閉環(huán)推進(jìn)技術(shù)升級(jí)，每一次迭代都服務(wù)于實(shí)際需求。

　　在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“鴻鵠專項(xiàng)”支持下，“極目一號(hào)”浮空艇系統(tǒng)綜合保障能力實(shí)現(xiàn)全面升級(jí)，項(xiàng)目間互補(bǔ)協(xié)同，共同構(gòu)成浮空艇技術(shù)迭代的“雙支撐體系”。

　　此外，從大氣電場(chǎng)觀測(cè)與防護(hù)到氣象綜合預(yù)報(bào)，從艇體材料的技術(shù)攻關(guān)到氦氣國產(chǎn)化的應(yīng)用，從浮空艇艇體試驗(yàn)到多載荷綜合試驗(yàn)，中國科學(xué)院建制化科研體系也是“極目一號(hào)”浮空艇全面升級(jí)的關(guān)鍵保障。

　　張?zhí)┤A透露，中國科學(xué)院空天院浮空艇系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)型譜化發(fā)展，搭載載荷覆蓋環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣探測(cè)、雷電探測(cè)等新型設(shè)備，觀測(cè)能力從“單點(diǎn)碎片化”全面升級(jí)為“系統(tǒng)立體化”，后續(xù)目標(biāo)是在目前大氣觀測(cè)平臺(tái)基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展和建設(shè)成為國家的一個(gè)大科學(xué)裝置，更好助力科學(xué)研究、服務(wù)國計(jì)民生。(完)