太陽漸漸西沉，遠(yuǎn)處云霧繚繞的林海與雪峰逐漸被暮色吞沒。還未到中秋，剛?cè)胍沟摹把┯蛉鹗俊薄鞑亓种ナ恤斃舒?zhèn)，已經(jīng)能感受到滲入肌骨的寒氣。汛期的魯朗河不舍晝夜，嘩啦啦地穿過密林和草地，奔向下游的扎塘魯措湖。河畔一片開闊草地上，停駐著一個(gè)巨大的白色氣球，引得游人駐足圍觀。
“呵，開眼了，這氣球看上去得有四、五層樓那么高吧！”
“快看，上面寫著中國科學(xué)院——肯定是做科學(xué)試驗(yàn)的！”
“動(dòng)了動(dòng)了，要飛起來了？能看到這一幕，也不虛此行啦！”
晚上九點(diǎn)，海拔3380米的試驗(yàn)場旁，矮柵欄外圍觀的游人越聚越多，嘰嘰喳喳的議論聲打破了高原冷靜的秋夜。有人舉起手機(jī)連連拍照，有人干脆接通視頻電話，興奮地向家人直播眼前的場景。
試驗(yàn)場內(nèi)，一切井然有序。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡稱空天院）正高級(jí)工程師何澤青手持對講機(jī)，聲音沉穩(wěn)：“錨泊車各崗位準(zhǔn)備。現(xiàn)在，釋放主纜！”
指令一下，巨大的氣球脫開束縛，向著青藏高原深邃的夜空緩緩攀升。
魯朗河邊，“大白鯨”整裝待發(fā)。馮麗妃攝
指揮車內(nèi)，隨著氣球向上攀升，電子屏上的數(shù)字不斷躍動(dòng)：每分鐘上升5米、8米、10米……空天院青年工程師付強(qiáng)緊盯屏幕，不時(shí)發(fā)出指令：“當(dāng)前高度200米，錨泊車主纜速度提升至每分鐘16米。”
柵欄外，游人眼中的白色巨球越變越小，逐漸沒入200米高空的云層，最終像一顆“花生米”消失在視野中，繼續(xù)向著更高處攀升。
大氣球昵稱“大白鯨”，是空天院聯(lián)合中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所自主研發(fā)的“極目一號(hào)”浮空艇。該系列浮空艇包含三個(gè)型號(hào)：體積分別為3000立方米、6000立方米和9000立方米。
“這次放飛的是其中‘個(gè)頭’最小的Ⅰ型：長39米，最大直徑20米。”何澤青向《中國科學(xué)報(bào)》介紹說。
9月18日晚，徐徐升空的“大白鯨”。馮麗妃攝
升至距地面200米的“大白鯨”。馮麗妃攝
據(jù)介紹，“極目一號(hào)”系列浮空艇是由第二次青藏科考支持設(shè)計(jì)研發(fā)，其上搭載了由中國科學(xué)院青藏高原研究所牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所自主研發(fā)的3大類共16型觀測載荷，總重量約200公斤。通過多載荷協(xié)同觀測，浮空艇實(shí)現(xiàn)了從“單點(diǎn)采樣”到“立體監(jiān)測”的技術(shù)跨越。
“載荷艙位于浮空艇中后部，攜帶的載荷設(shè)備能夠測量水汽、黑炭、甲烷等大氣組分，相當(dāng)于把一座綜合實(shí)驗(yàn)室搬到了云端。”何澤青說。
付強(qiáng)告訴記者，因?yàn)橐荛_白天的航班，浮空艇多數(shù)時(shí)候只能在夜里放飛。因此，試驗(yàn)隊(duì)的成員慢慢都成了白晝顛倒的“夜貓子”，晚上輪班守夜，白天補(bǔ)覺。自8月下旬魯朗試驗(yàn)拉開序幕以來，試驗(yàn)隊(duì)員們已經(jīng)輪流熬了近一個(gè)月的夜。
截至9月19日，浮空艇已累計(jì)完成30次升空飛行驗(yàn)證，最大海拔高度5940米，精準(zhǔn)獲取了大氣組分、污染物分布和云三維微物理參數(shù)等關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，將為藏東南生態(tài)、降雨量和氣候變化研究提供核心數(shù)據(jù)支撐。
試驗(yàn)隊(duì)員正在指揮車內(nèi)工作（左一為屈維，右一至四依次為張?zhí)┤A、袁仲豪、杜曉偉、張強(qiáng)輝）。馮麗妃攝
在極端環(huán)境中追求“極致”
在“世界屋脊”開展工作，要面對多重極端環(huán)境——零下30℃的極寒、每秒25米的強(qiáng)風(fēng)以及平均海拔4700米的低氣壓。讓“大白鯨”在云端安穩(wěn)工作，絕非易事。
空天院正高級(jí)工程師張?zhí)┤A回憶，2017年浮空艇團(tuán)隊(duì)第一次與青藏高原開啟“云端之約”，到可可西里腹地“試水”。那時(shí)，初代浮空艇裝備存在充氣速度慢、艇體泄露率較大、設(shè)備低溫性能下降等問題。
“哪里出現(xiàn)問題，就解決哪里。”張?zhí)┤A說，研究團(tuán)隊(duì)以應(yīng)用為導(dǎo)向，對浮空艇艇體、控制、能源、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)迭代優(yōu)化，逐步建立起100%國產(chǎn)化的自主可控技術(shù)體系。。
例如，空天院聯(lián)合長春應(yīng)化所打破國際技術(shù)壁壘，研發(fā)出復(fù)合艇體材料，給“大白鯨”穿上了“雙重防護(hù)衣”——既能扛住高原的雨雪風(fēng)沙，又能把氦氣泄漏率降到最低，而且大幅提升了復(fù)用次數(shù)，降低了試驗(yàn)成本。
研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年研發(fā)的“硬式充氣口”專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充氣效率與安全雙升級(jí)。“以往高壓氦氣充氣不僅會(huì)沖擊艇體，影響浮空艇安全，噪音還會(huì)損傷操作人員聽力。”張?zhí)┤A說，“現(xiàn)在，新技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了充氣口‘無人值守’，搭配快速充氣減壓裝置，速度還快了兩倍多。”
操作人員正在安裝充氣口。空天院供圖試飛浮空艇。馮麗妃攝
針對高原復(fù)雜電磁環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)——通過增加電氣間隙提升擊穿電壓，解決了高海拔空氣稀薄導(dǎo)致的絕緣性能下降問題。同時(shí)，他們還加裝了大氣壓、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊及艙內(nèi)主動(dòng)溫控裝置，為載荷設(shè)備穿上了“自適應(yīng)氣候防護(hù)衣”，確保其在高空低溫、低壓的嚴(yán)苛環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。
據(jù)悉，近5年來，團(tuán)隊(duì)圍繞浮空艇技術(shù)申請專利60余件，為“大白鯨”持續(xù)迭代創(chuàng)新提供了核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)支撐。而在這些突破背后，是一群在極端環(huán)境中堅(jiān)持“頂風(fēng)作業(yè)”的科研工作者。
提起這些年的科考經(jīng)歷，空天院工程師屈維有許多難忘的記憶。2019年在納木錯(cuò)，研究團(tuán)隊(duì)首次開展海拔4000米以上作業(yè)，一次他們剛開始給艇體充氣，暴風(fēng)雪突至，隊(duì)員們冒著零下20℃的嚴(yán)寒作業(yè)，最終創(chuàng)下7003米的同類浮空器觀測高度紀(jì)錄。
2022年珠峰腳下的40天，更是一場“極限挑戰(zhàn)”。海拔5000米的試驗(yàn)場，隊(duì)員們住集裝箱，吃自熱飯，每天通宵作業(yè)，最后創(chuàng)下世界紀(jì)錄。“最難忘的是突破9050米那天。”屈維回憶，“指揮車屏幕上的高度數(shù)字一點(diǎn)點(diǎn)跳，達(dá)到目標(biāo)高度那一刻，大家一開始都安靜極了，沒有一個(gè)人說話，隨后都突然歡呼起來，甩掉熬了一整夜的疲憊，鼓掌慶祝。”那次試驗(yàn)也讓“極目一號(hào)”入選“國之重器”。
這樣的記憶，對于這支平均年齡32歲的試驗(yàn)隊(duì)來說還有很多：在“人類生理極限試驗(yàn)場”雙湖，隊(duì)員們血氧最低僅60%，頂著高反頭痛，堅(jiān)持完成10余次有效升空；在慕士塔格冰川腳下，他們從烈日當(dāng)頭的7月一只干到飄雪紛紛的9月，有效升空次數(shù)達(dá)到30余次；帕米爾高原、呼倫貝爾草原上，都留下了這群年輕人追云逐電的身影。
“我們要突破極限，不斷提升載荷性能與測控精度，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，更好地服務(wù)國家需求。”屈維說。
“極目一號(hào)”浮空艇試驗(yàn)隊(duì)部分成員合影。空天院供圖
協(xié)同創(chuàng)新，煉就“空間多面手”
“浮空器其實(shí)是一種比飛機(jī)歷史更悠久的航空器，依靠內(nèi)部充填密度比空氣低的氣體，比如氦氣，產(chǎn)生浮力。”張?zhí)┤A向《中國科學(xué)報(bào)》介紹說。
目前，浮空器“家族”主要有三類：高空氣球、浮空艇（或系留氣球）和飛艇。高空氣球不帶動(dòng)力，隨風(fēng)自由飄飛；系留氣球也不帶動(dòng)力，通過系纜與地面錨泊裝置系留；飛艇則帶有螺旋槳，可依靠自身動(dòng)力控制飛行。
空天院研究員蔡榕指出：“浮空器也是臨近空間開發(fā)的核心平臺(tái)，其技術(shù)突破直接帶動(dòng)高端制造、新材料、智能控制、空間信息應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)。”
浮空艇憑借其駐空時(shí)間長、覆蓋范圍廣、部署靈活、載重能力強(qiáng)以及操控成本低等優(yōu)勢，在很多應(yīng)用場景中具備其他航空器不可比擬的競爭力，成為空間探測的“多面手”。
例如，在呼倫貝爾草原，研究團(tuán)隊(duì)讓浮空艇化身“生態(tài)哨兵”，融合高分辨率光譜成像與人工智能識(shí)別技術(shù)，對草場長勢、退化區(qū)域、牲畜數(shù)量和分布進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測；在煙臺(tái)長島的電力通信應(yīng)急演練中，它們組隊(duì)形成5G通信基站，在光纜中斷時(shí)全程保障搶修作業(yè)人員通信；就連遠(yuǎn)海的船舶，也能通過浮空艇團(tuán)隊(duì)研制的國內(nèi)首套船基浮空艇裝備及其搭載的專用通信基站，接收長期演進(jìn)信號(hào)（LTE），實(shí)現(xiàn)超數(shù)千平方公里信號(hào)覆蓋，破解“遠(yuǎn)海無信號(hào)”的難題。
空天院副研究員尚華哲最期待的，是“大白鯨”可以以前所未有的方式窺探云的秘密。“與飛機(jī)穿云而過、‘走馬觀花’相比，浮空艇能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間、原位駐空觀測，可以在云邊緣和內(nèi)部進(jìn)行‘心電圖式’的靈活掃描，精細(xì)捕捉云內(nèi)變化。”他說。
他與團(tuán)隊(duì)有兩個(gè)目標(biāo)：一是像“跟拍紀(jì)錄片”一樣，全程記錄云從生成到降雨的過程，破解云生命周期的觀測難題；二是探索一個(gè)國際前沿問題——云中的粒子是如何帶電的，以及云的物理狀態(tài)和電場之間有何神秘關(guān)聯(lián)。
目前，實(shí)驗(yàn)已成功獲取了豐富的觀測數(shù)據(jù)。尚華哲表示，這些數(shù)據(jù)將為深入解析高原云降水過程、提升天氣預(yù)報(bào)精度提供關(guān)鍵支撐。
“大白鯨”腹部的水汽同位素等觀測載荷系統(tǒng)。馮麗妃攝
浮空艇云上觀測到遠(yuǎn)處的供電鐵塔。空天院供圖自1977年中國科學(xué)院布局浮空器研究至今，歷經(jīng)數(shù)十載深耕，如今空天院牽頭的浮空艇產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了從早期單一型號(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，形成了極具競爭力的系列化產(chǎn)品譜系，多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)國際領(lǐng)先水平，形成完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。
張?zhí)┤A強(qiáng)調(diào)，這些成果離不開跨部門、跨機(jī)構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新。通過采用“院內(nèi)協(xié)同+院外聯(lián)合”的攻關(guān)模式，不僅提升了研發(fā)效率，更打造出一條整合資源、貫通“研發(fā)-試驗(yàn)-應(yīng)用”全鏈條的創(chuàng)新路徑。
“下一步，我們希望將‘大白鯨’打造成更開放的空中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，歡迎全球科學(xué)家前來搭載實(shí)驗(yàn)。”望著奔流不息的魯朗河，張?zhí)┤A眼中充滿期待。
本文鏈接：“極目”云端，“大白鯨”飛上青藏高原http://www.sq15.cn/show-11-26365-0.html
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