[科普中国]-测风气球

定义

测风气球是测定高空风向风速的一种充满氢气的气球，升速有100米/分或200米/分的。从地面施放后，一面上升，一面在水平方向上随风飘行。与此同时用测风经纬仪不断跟踪观测，并记下它每分钟的仰角和方位角，然后经过计算求出气球经过的空中各层的平均风向和风速。

基本原理充满氢气的测风气球，空中受到两个力的作用：向上的浮力和向下的重力。二者之差即为气球的净举力。由于气球球皮较薄，充气之后造成球内外的压力差可忽略不计，且压力差在气球爆破之前基本保持不变；此外，气球内气体质量很小，可认为球内外温度很快即达到相同，即气球上升过程中内外温度基本相等。气体密度的变化决定于压力和温度的变化，而气球上升过程中压力和温度的同步变化，说明了气球内外气体的密度也同步变化。因此，气球上升过程中所受浮力和重力的差值保持不变，即净举力恒定为常量。1

气球上升运动过程中，还会受到空气阻力的作用。空气阻力方向与净举力相反，大小与气球升速的平方成反比。气球由于净举力作用加速上升，上升过程中空气阻力随气球升速的增大而增大，且增大幅度比升速大；当空气阻力增大到和气球净举力相等时，气球只做等速上升。

气球等速上升过程中，以某时刻为初始时刻，每分钟记录一次气球的经纬度和高度，则可计算得出各高度层中的风速风向。

测风气球的发展国外测风气球的发展人类利用橡胶气球进行气象观测的历史可追溯到20世纪初。1902年德国气象学家阿斯曼第一个提出用橡胶气球来探测大气，并用经纬仪跟踪的测风方法。1927年苏联在气象学家莫尔恰诺夫教授领导下研究出自由大气研究的新方法—无线电探空仪法，并成功设计制造梳齿式无线电探空仪，开创了气象探测的新纪元，促进了橡胶胶乳气球的快速发展。近几十年来又出现了用雷达对自由飞行的气球定位测出高空的风向、风速和用气球携带各种无线电探测器测定高空各高度上的温度、湿度和气压等气象要素的雷达探测法，使胶乳气球的发展更上一层楼目前世界各国都先后应用和发展了气象用胶乳气球系列，既有低空用测风、测云气球，又有高空用探空气球。

气象用胶乳气球，由于具有投资少，见效快，成本低，相对载重大，施放简便，飞行时间较长，携带仪器姿态稳定，测得数据资料较快、精度高，周期短以及有较大的灵活性，施放不受地域和气候因素影响等优点，在许多气象、航空和空间科学技术较发达的国家里，仍然把胶乳气球作为研究大气、发展气象、航空、宇宙飞行技术和进行空间科学研究的重要而不可缺少的运载工具美国、日本等国家从未停止过对胶乳气象气球的研究、生产和应用工作一几十年来.从气球生产用原材料.配方、球体结构、制造工艺、生产设备和规格型号系列化等方面经历了较大的变革，有了很大的发展。

我国测风气球的发展我国胶乳气球的研制和生产己有50年历史了。在党和各级政府的关怀下，根据我国国防、气象、航空和利一研事业的发展需要，自1955年北京橡胶研究院利用国产天然胶乳为主体原料，采用离子沉积法成功研制测云测风气象气球之后，在广州建立了我国第一家胶乳气球生产厂家—第十一橡胶厂。1956年开始生产10#,20#,30#,50#测云测风用天然胶乳气球，1957年该厂开始生产80#,120#天然胶乳探空气球，1964年又生产出200#天然胶乳探空气球。为了加强对胶乳气球的研究和开发其他胶乳制品等，1965年，在云南昆明近郊组建了化工部乳胶工业研究所，该所在1965年初利用国产氯丁胶乳研制出氯丁胶乳气球;1970年该所开始大量生产10#,20#,30#测云测风天然胶乳气球，以及80#,120#,200#天然胶乳探空气球。为满足国防利一研的需要，1974年，该所成功研制出升空高度达30000m的1500g天然胶乳探空气球;1975年又成功研制了75型雷达校准用气球;1976年研制了升速达600m/min、升空高度达30000m的高空快升速组合型气球;后来又成功研制了950g,750g,500g,400g,300g,1200g天然胶乳探空气球，基本完成了天然胶乳气象气球的系列化研究。1972年前后，北京乳胶厂也开始生产10#,20#,30#天然胶乳测云测风气球和少量的80#天然乳胶探空气球至此，我国在胶乳气球生产规模方面，由过去一个厂发展到两个厂和一个所;在气球制造工艺方面，不仅采用离子沉积法生产，还研究过热敏化胶乳注模回转成型法;在品种方面，不仅能生产各种天然乳胶气球，还研制了120#氯丁胶气球;在天然乳胶气球生产方面，不但研制生产了各种系列的气象气球.还能生产各种规格的节日气球、平移气球、75型雷达校准用气球和快升速气球;在气球产量方面，从最早完全依靠进口，发展到自给有余，还可以部分出口;在质量方面，随着气球生产技术的进步，产品质量不断提高，1200g,950g,750g,400g,300g和200g天然胶乳探空气球的升空性能达到了美国、日本、德国同规格、同类型气球的水平;120#氯丁胶乳探空气球的升空高度达到了前苏联同类型、同规格气球的水平; 75型雷达校准用气球，其结构合理，同心度高，使用性能优于美国同类产品水平;升空高度30000m，升速达600m/min组合型气球，其升空性能也可以与美国ML-566型快升速气球媲美。2

测风气球发展趋势国外在发展探空气球系列化的同时，首先注意解决的问题是提高气球升空高度。提高气球升空高度的研究主要从两个方面进行:一是加强气球配方的改进研究，二是研制生产大规格的优质气球。研制生产使用大规格的气球实践证明，气球原始直径的增加，不仅使气球升空高度提高，而且使气球达到要求高度的可靠性也大大增加，因而各国都在发展大规格气球，美国最大规格的气球为7000;，日本从1977年开始研究升空高度为40km的大规格气球。

随着大规格高质量气球的发展，气球探空高度不断地提高，导致探测时间过长，当超过标准电池的寿命时，造成探测中断或因为气球随风漂移太远而致使所获得的气象资料不是该探测站上空大气的特性数据。在这种情况下，国外在胶乳气球的发展中十分重视气球升速提高的问题，特别是美国，从50年代初期就着手进行这方面的研究工作，几十年来.他们从快升速气球用的原材料、配方.球体外形结构的设计，制造工艺、装配技术等方面作了大量的工作，为了尽量减小气球升空阻力，提高升空速度和飞行稳定性，美国快升速气球在外形结构上，经历过了由简单到复杂又到简单，即由圆形气球到流线形气球、组合气球又回到圆形气球的发展过程，使快升速气球的升空高度和速度达到了较高的水平;前苏联也研发了100;气球和3000;气球组成的母子球，升空高度达36000m，其中升空高度达30000m的有效率为90%

随着电子技术、计算机技术和遥感技术的高速发展，探测仪器向重量轻、灵敏度高、体积小的方向发展，由于体积减小、重量轻，其升空阻力相应减少，在保证升速条件下，气球的充氢量相应减少，气球升空高度得到提高，使探测时间延长，探测经费增加。这对某些部门或某些探测项目来说是没有必要的，甚至是浪费的;另一方面，在保证一定升空高度的条件下，充氢量相应增加，从而造成其升速过快，这样就带来了新的问题，如仪器滞后造成较大的误差等;另一个特别需要重视的问题是注意提高气球质量和升级换代，如日本托泰克斯公司的天然胶乳气球在几十年中升级换代三次，由TA-40型发展到TC-63型又发展到TA型，由过去纯天然胶乳制造发展到现在并用氯丁胶乳制造。2

测风气球主要原材料国外对气球配方的研究是以提高气球升空高度、升空速度和达到预定升空高度的可靠性为目的，基本上围绕着以提高胶膜的耐寒性、耐臭氧、耐光老化性能以及提高胶膜伸长率为中心而进行的。

在气球配方中采用的胶乳:二次世界大战前，各国都是采用天然胶乳;二次世界大战后，主要是用天然胶乳和氯丁胶乳两种。当前，世界上生产气球用胶乳，虽然处于天然胶乳和氯丁胶乳并存竞争的局面，但是随着石油化学工业的高速发展，合成胶乳加工技术的进步以及对探测高度要求的提高，其总的发展趋势是向氯丁胶乳方向发展。美、日、苏、德几国是世界上生产胶乳气球最多的国家。美国自1941年起就开始使用氯丁胶乳生产气球，虽然还使用天然胶乳生产某些气球，但主要以氯丁胶乳生产为主;前苏联自1946年起用合成胶乳制造气球，至今已全部用氯丁胶乳代替天然胶乳生产气象气球;日本自1920年开始一直以生产优质天然胶乳气球著称，但从1965年开始也生产CR-66型氯丁胶乳气球，从近几年资料看，日本Totex公司现已不再向世界提供纯天然胶乳气球，而是大量提供天然胶乳与合成胶乳并用的TA型气象气球和CR型氯丁胶乳气象气球;在西德，虽然以采用天然胶乳为主，但也已经开始使用氯丁胶乳生产。2

测风气球生产生产过程目前，国内外生产气象气球的方法主要有两种，一种是浸渍法，一种叫热敏法。通过其中一种方法将乳胶生成球膜之后，然后把凝结在模具上的球皮经浸渍脱模、清洗、定型、硫化等工序后，才能成为有一定规格尺寸和合乎性能要求的成品。球柄是另外连接上去的。用热敏法生产的气球，用料省、成本低、球皮均匀、球柄细，有利于保证气球质量，更便于使用。

在生产气球过程中的每一道工序，对气球的质量都有一定影响，如在天然胶乳中加入不同的防老剂、耐寒剂、紫外线吸收剂等原料，都能使气球具有不同的性能。一个好的“配方”，能使气球球皮耐老化、耐低温、伸长率高，气球的施放高度就必然较高。

在对脱模后的球皮进行“清洗”时，若清洗不净，凝固剂中的氯化钙较多地残留在球皮上，将会明显缩短气球的贮存时间。特别是在炎热潮湿的南方，由于氯化钙本身易吸潮，球皮受潮变色，发粘，其扯断力、伸长率等物理机械性能降低，这样的气球，施放高度必然不高。

“定型”，顾名思义，是确定气球形状、大小的一道重要工序，即通过压缩机将空气充入湿球内，使其达到规定的尺寸，然后，在温暖、通风、阳光不能直射的室内，使其自然干燥，在干燥过程中，必须经常进行翻转，否则，将造成气球球皮接触地面的部位与其他部位厚薄不均，从而影响产品的质量。

“硫化”，是将定型后合乎要求的气球放入高温密封的硫化罐内，在一定的温度和时间的条件下，使气球球皮具有弹性，达到要求的物理机械性能指标。

为了保证产品质量，在气球出厂前，还逐个地检查气球的尺寸和重量、长度、厚度、球形、气泡、薄点、油点、锈点等，并抽查气球的物理机械性能，这些都为提高气球施放高度创造了十分有利的条件。2

浸渍法浸渍法即将浸有凝固剂的杨桃形模具浸入经配方后的胶乳中，经过一定的时间，从胶乳槽中提出，胶乳即凝固在模具上，形成球膜。

浸渍法的特点是:

①浸渍和胶乳成膜过程都是在胶槽内进行的，每当制球结束，胶槽内总会剩余几乎整个胶槽的胶乳；

②粘附在球膜表面上的凝固剂的质量、厚度、均匀度以及球模停留于胶乳的时间决定了胶膜的质量、厚度及均匀度，实际操作中很难将每次浸渍或每个球模上的凝固剂和胶膜的质量、厚度及均匀度的差别控制在较小的范围内；

③球膜成形于模型外表面上，脱膜工序限制了球膜球柄的直径及长度。即球柄直径大、长度短，脱膜就容易，相反，则脱模困难，易造成撕裂或产生柄变④浸渍过程中，模型存在着先进后出的时间差，球模越长，这种时间差就越大，先进后出的球模部位其外表面上的胶膜厚度就较厚；

⑤胶乳浸渍过程中，胶乳粒子会沿浸渍方向呈平行排列，因此，胶膜结构存在显著的取向性。

由于浸渍法固有的特点，采用该法生产气球就存在下列缺陷:

①生产过程余胶多，这样势必增大了气球的制作成本，特别是生产大规格、小批量的气球时，该缺陷更是尤为突出；

②同规格球质量差异大；

③球壁厚度不均匀，其最厚、最簿厚度差竟高达0.5 mm以上；

④球柄直径大且长度短，因此在施放操作时很不方便；

⑤气球伸张性能存在明显的纵横向差异，而且数值较低；

⑥球的升空高度稳定性较差。2

热敏法热敏法就是在生产时，将配好方的胶乳，泡入有保温装置的圆形金属模中，通过金属模的旋转，形成球膜。

热敏化法的特点是:

①气球的质量是由人或者是计算机控制下的加胶装置将胶乳计量注入球模；

②胶模成型于模型内表面，球柄的直径和长度不受后面脱膜工序的限制；

③胶膜在二维方向上相互衔接、交叉和重叠，其结构较密实，没有取向性。

因此，采用热敏化法制作气球的优点是:

①生产过程几乎不残留余胶；

②同规格球质量差异小；

③气球壁厚均匀，其最大最小厚度差仅有0.1 mm；

④气球球体较短，球柄直径较小而且长度长，施放操作方便；

⑤气球升空高度的稳定性好。2