[科普中国]-边界层探空系统

简介

边界层探空系统又称系留气球，在地面用绳索维系能控制浮升高度的气球。其上携带测量气象参量如温度、湿度等的仪器。测量结果可借助有线传输或无线传送等方式传到地面。施放系留气球通常用控制施放和回收的绞车，可以估算气球距地面高度。系留气球一般的施放高度为一二千米范围内，适于大气边界层探测。1

应用范围铁塔的观测高度有限，建筑费用昂贵，却无法轻易搬迁，台站日常施放的探空也无法在较长时段密集连续施放，使用系留气球带上一个轻便小型的探头，不断地上下位移可以及时收集到几百米，至接近1 km高度内的气象要素的垂直分布，设备还可以轻便地移运，因此系留探空系统特别适合于野外科学考察工作。2

结构及功能系留气球的外形如飞艇，呈较好的流线型特征，在有风情况下不但能保持较小的阻力，还能始终保持艇身头部对准风的来向。

探头如图所示，它包括测量干、湿球温度的热敏电阻，电容式空盒气压表，轻型风杯风速计，由于气球艇首始终对准气流的来向，可利用磁罗盘测定风向，磁罗盘的底座上固定有环形电位器，电位器的另位对准艇首而磁针始终保持正北，电位器上的触点位置即风的来向，为减轻电位器的磨损和电火花烧蚀，整个罗盘浸泡在油内，读数时通电使电位器磁芯产生吸力方使磁针与电位器接触。

整个探头是一台微型自动气象站，包括数据采集、信号变低频、信号调制及射频电路。AIR公司生产的3型系留探空系统是403 MHz调幅式发送，共有16个数据信道，其中5个信道为温、湿、压和风向、风速以及3个备份通道和一个探头内温度通道外，其余均为保证信号解译所需的参考点通道。2

施放过程系留气球的施放过程为：将探头固定在气艇的支架上，打开主机及探头电源，在接收机的键盘上输入操作指令.指令包括起动接收并清除原有指令i设定接收频率设定接收格式和数据组采集的时间间隔读人检定曲线设定日期和时间设定RS-232口的波特率读入气压地面基测值等。

系留气球施放过程可以实施在不停顿升降过程中读数也可停顿在固定高度实施定点读数，无论何种方式，均需将升降过程对应点的数据进行平均，保持各高度上的数值均取自于升降过程的中间时刻，并能消除由于滞后引起的呈相反趋势的偏差。2

设计要求囊体设计囊体作为系留气球的主要结构，承受着系留气球上的所有载荷，要具有一定的抗风能力，特别是在突风的冲击，要有足够的强度。在各种载荷作用的条件下，具有承受环向应力、剪切应力的能力；有时还要满足承受撕裂力的要求，对悬挂系统来说还要考虑其他的附加应力。囊体的整体和某特定部位的强度和刚度受囊体截面积、内压大小等多种因素的影响，随飞行高度和环境温度以及运动状态的变化而变化。

由于气球囊体材料只能承受拉力的特性，致使囊体材料总体刚度只能由内压维持。当内压一定时，张力与囊体半径成反比，即当囊体较大时，应选择拉伸强度和撕裂强度比较大的材料，当囊体较小时，应选择拉伸强度和撕裂强度比较小的材料。

囊体材料的选择主要考虑轻质、高强度、高气密性、良好的耐候性、高比强度、高抗曲挠、耐揉搓和良好的耐磨性，尤其是主气囊材料要考虑耐臭氧和对各种射线(紫外线)的反射及其他环境因素的影响。应通过对主气囊及其典型部位的安全性分析，选择强度比较高、环境适应性较好的的材料，提高囊体的强度设计，使囊体的破坏失效概率降到最小。

头锥设计头锥固定在囊体的头部，使系留气球在地面系留时，很好地固定在系留塔上。头锥应该设计成便于系留和脱系的旋转机构，采用高强度钢和铝合金制造，保证有足够的强度裕度，安全系数最小应大于2。为了防止地面系留时头锥从系留锁中意外脱开，应增加其他地面系留辅助设施，使头锥直接与系留塔连接，充分增加系留气球地面系留的安全性。

系留系统设计系留系统主要包括系留拉索、机械拉索和系留缆绳。系留拉索分布在囊体的两侧，相对于气球纵向平面对称，用于将系留气球的净浮力载荷集中传到系留缆绳。机械拉索也是分布在系留气球两侧，只在地面系留时，连接在地面系留绞盘上。由于系留气球在使用过程中载荷比较复杂，所以系留拉索和机械拉索的安全系数一般大于2。

系留缆绳是系留气球的一个关键部位。系留气球的升空、回收和姿态调整都是通过缆绳来实现的。系留缆绳既要有足够强的力学性能，又要有传输球上设备所需的电信号、光信号等功能，同时还要有防雷击特性。为了增加系留缆绳的安全性，系留缆绳的安全系数应大于3。

地面系留设施设计地面系留设施的作用是能把系留气球固定在一定位置，保证系留气球能够安全可靠地升空和回收，可分为阵地式和车载式。设计时，既要考虑收放装置能够顺利地收放系留气球，又要考虑旋转平台能够随风自由旋转，同时防止系留塔倾覆。通过有限元分析，保证地面系留设施有足够的安全裕度，提高地面系留设施的安全性。

防雷系统设计雷电对系留气球的破坏是全方位的，结合系留气球的一般结构及雷电的损害方式，防雷措施可分为球体防护、球载设备防护以及地面设备及人员的保护。对球体的防护措施一般采用静电防护、导体笼防护和悬索导线防护。对球体设备防护一般采用绝缘材料把电子设备与导电物体隔离或者安全接地，使球体上形成的雷击电流顺利传到地面，把能量释放出去。3