圖①：臺風追蹤探測儀器整體。
圖②：下投探空與通信系統。
圖③：艦載臺風探測雷達。
圖④：雙模態定點投送器。
圖⑤：低雷諾數投送器。
以上均為示意圖，由北京理工大學提供
正值臺風活躍期，圍繞即將開展的追蹤探測臺風的外場試驗，北京理工大學復雜環境科學探測中心科研人員正緊張忙碌著。
“如果順利，未來幾個月，我們研制的臺風追蹤探測儀器‘成色’就將接受檢驗。”北京理工大學教授胡純難掩興奮：“團隊多年的努力，有望得到反饋。”
采集臺風數據——
傳感器大小如指甲蓋，有許多特別的設計
探測中心的陳列間里，擺滿了團隊研制的創新產品。拿起一個傳感器，胡純興致勃勃地介紹：“采集臺風數據，這是探測儀器的關鍵零部件之一。”
眼前的臨近空間超低氣壓傳感器，大小如指甲蓋，與一塊小型電路板相連，看上去并沒有什么特別。胡純接著解釋：“臨近空間距離地面約20千米至100千米，溫度、壓力極低，為適應極端條件，這個傳感器其實有許多特別的設計。”
為何要專門研發儀器采集臺風數據？現有的臺風探測手段都有各自局限。比如，臺風來臨時，通過放探空氣球，可以收集到一些外圍信息，但難以清楚臺風內核情況。氣象衛星存在收集要素少、不精細等不足，且衛星在臺風上方過頂時間有限，無法較長時間追蹤觀測。地基氣象雷達一般只能在岸基探測，也同樣存在要素不充足、精度不夠高等缺點。
精確描述和預測臺風，依賴于長期持續探測和高質量數據。氣象科學家判斷，要研究臺風強度的影響因素，必須采用專用儀器，從內核區對臺風進行多要素、長過程、精細化的直接探測。
走進探測中心實驗室，隨處可見類型多樣的儀器部件。科研人員告訴記者，它們主要分為四大核心部件，分別承擔精細探測、信息傳輸、飛行控制和同化模擬功能。
這些儀器如何靠近臺風？“上天執行任務，飛艇是這些儀器的‘母艦’。”打開團隊外場實驗視頻，北京理工大學教授、臨近空間環境特性及效應全國重點實驗室副主任鄭德智說，“全部展開后，飛艇最大直徑可達20多米，長度則足足有100多米。”
“臺風半徑可達數百千米、高度可達十幾千米，生命期為3到10天，目前只有飛艇可以在這個高度長時間停留。有了它，相當于在臺風上空的臨近空間布設了一個探測平臺。”鄭德智說，飛艇下方攜帶著研發的儀器，通過抵近外測與直接內測相結合的方式，對臺風進行抵近追蹤持續探測。
通過這套方法，科研人員有望反演分辨率至100米甚至50米級別的數字臺風，這將極大提升人類對臺風的認識，進而提高臺風預報水平。
適應極端環境——
研發從基本工作起步，電腦里裝滿了各式各樣的設計草案
按照設想，科研人員先用雷達追蹤臺風位置，引導飛艇機動至臺風中心上空。隨后，飛艇投放探空儀，通過傳感器采集到的溫度、濕度、風速、氣壓等數據實時回傳至飛艇，再由飛艇傳輸至地面進行實時分析處理。
記者采訪時，胡純正帶領團隊驗證探空儀的功能。在模擬艙環境內，模擬臨空環境低溫、低壓等特殊環境，再把10個探空儀放置其中，并觀測它們記錄數據的有效性和精度等。通常，一次實驗要持續一周左右。
記者小心翼翼接過一個探空儀，沒想到居然非常輕。
“探空儀主體用的是硬質泡沫，金屬材料很少。”胡純說，飛艇載荷限制很嚴格——整個載荷系統需控制在200公斤以內，單個儀器的重量、體積、功耗被壓縮到極致。科研人員嘗試了不同種類的外殼材料，最終另辟蹊徑，選擇了硬質泡沫。
研制臺風探測儀器，極端環境是“攔路虎”。比如，飛艇上升過程中，溫度變化顯著，遠超普通工業級芯片耐受范圍。為讓傳感器穩定工作7天以上，團隊設計了加熱控制系統，為傳感器“保暖”。
與飛艇協同作業，也是研制過程必須直面的挑戰。團隊在結構設計和算法上同時發力，確保了傳感器適應飛艇動態姿態，穩定運行。
“在臨近空間環境探測臺風，之前沒人做過，我們許多工作都是從電路板設計、材料選型等基本工作起步。”胡純說，“瞧，我電腦里裝滿了各式各樣的設計草案。”
以高動態濕度傳感器為例。適應臺風的惡劣環境，傳感器要在穿云過程中快速獲得精確的濕度值。為找到理想的材料，2020年，團隊聯合西安交通大學開展攻堅，有的學生在西安交通大學一待就是半年。
“從第一代開始，仿真、測試再設計，歷經近4年反復迭代優化，一次次微調才做出最終產品。”胡純說。
邊研發邊外場試驗。2022年，經過多輪實測，探測儀器進行了第一次系統集成。2022年底，飛艇在臨近空間飛行80天，飛艇可行性得到驗證。在江蘇鹽城，去年底團隊首次在運動平臺上驗證了全套系統性能，為后續高空探測奠定基礎。
探測中心里，科研人員或討論方案，或調試設備，他們正為臨近空間環境帶載荷的試驗沖刺。“經過前面的積累，我對接下來的試驗有信心。”鄭德智說。
緊密協同攻關——
為了敲定一些試驗細節，經常討論到凌晨
開展臨空環境臺風探測，有可能深刻揭示臺風生成、演化、突變的科學奧秘，推動我國臺風精準探測、科學認知與精確預報邁入領先行列。
聆聽創新歷程，記者感受到，走在行業前列，離不開團隊長期積累和前瞻作為。
團隊首席科學家、北京理工大學教授張軍長期專注飛艇相關技術研發。早期，張軍帶領團隊研制的飛艇主要用于應急通信、對地觀測等，當發生地震、洪水等自然災害，幫助災區保持信號暢通。為了充分利用飛艇能力，團隊嘗試探索在氣象領域的應用。2017年，他帶領團隊與中國氣象局聯合實施艇載探空儀釋放試驗，這一飛艇技術的重大突破，讓開辟臺風探測新路線成為可能。
在國家重大科研儀器研制專項等項目支持下，基于飛艇平臺，張軍帶領團隊攻關臺風探測儀器。適應臨近空間環境，科研人員從供電、飛行姿態、速度等方面進行了改裝，讓飛艇能夠充當臺風探測平臺。
緊密協同攻關是團隊持續創新的“奧秘”。鄭德智介紹，臺風探測儀器核心部件包含飛行控制器系統、艇載氣象雷達、浮空氣象感知節點等七大關鍵設備，參與單位既有北京理工大學、北京航空航天大學、中國氣象科學研究院等高校院所，也有北京天恒長鷹科技股份有限公司等企業，大家圍繞同一個目標，擰成一股繩，高效完成了各自任務。
外場試驗，需要協調各方緊密配合。高校牽頭重大項目，在工程總體管理和支撐上相對較弱，北京理工大學團隊既做科研又承擔組織工作，上百人密切配合。“為了敲定一些試驗細節，我們經常討論到凌晨，大家的干勁讓我深受感動。”胡純說。
今年1月，北京理工大學聯合多家單位申報，獲批了臨近空間環境特性及效應全國重點實驗室，這是我國在該領域唯一的全國重點實驗室。
“不只是服務臺風預報，了解臨近空間環境也很有價值。”鄭德智說，臨近空間是衛星、火箭等飛行器的重要活動區域，準確了解這里的環境信息，有助于優化飛行器設計，為我國航空航天事業發展提供數據支撐。“展望未來，團隊要做的工作還有更多。”
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