《走近科學(xué)》：38所“大氣球”升空記
大氣球升空記
早春二月，江淮之間春風(fēng)料峭。一個(gè)新的氣球已經(jīng)制作完畢，它將被送往幾十千米外的試驗(yàn)場，在那里開始第一次試飛。工人們將氣球囊體平攤在室內(nèi)，然后整齊地疊起、打包。所有浮空器給人的第一印象都是巨大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)氣球?qū)儆诒容^小的型號，但也有30米長。為了裝配、折疊氣球的方便，這里特意將大樓修成了環(huán)形，中間留出一塊巨大的橢圓形場地供氣球使用。
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這個(gè)大氣球?qū)W名叫浮空器，顧名思義，它是靠大氣浮力實(shí)現(xiàn)升空，進(jìn)而在空中飛行、停留的裝置。它在氣球內(nèi)部充上比空氣輕的氣體，通過浮力來實(shí)現(xiàn)升空。
迄今為止，人類制造的最大的飛行器仍然屬于浮空器——1930年代制造的興登堡號飛艇，它足足有240米長。浮空器之所以都如此巨大，是因?yàn)樗锩娉淙氲臍怏w都非常輕，要提供足夠的浮力拉起自身和懸掛的重物，就必須使用大量的氣體，也就需要更大的體積。
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折疊好的氣球變得十分精巧，像一卷放大的鋪蓋，一輛普通小貨車就能放下。很快，它就將迎來自己的第一次飛行，這一次，它能成功嗎？
到達(dá)試驗(yàn)場地后，負(fù)責(zé)現(xiàn)場指揮的工程師李勁松向隊(duì)員們交代著注意的事項(xiàng)。放飛氣球需要的場地并不是很大。不同于飛機(jī)的起降需要機(jī)場，能在多種條件下升降是浮空器優(yōu)勢之一。
放飛之前，他們要把一個(gè)小箱子掛到氣球下面。這個(gè)箱子里裝著控制氣球在空中飛行、懸浮需要的電力裝置和與地面進(jìn)行通信的裝置，它們維系著氣球的正常運(yùn)行。由于氣球上升需要的浮力很大，這些裝置越重，能掛載的其他有效設(shè)備就越少，因此設(shè)計(jì)人員想方設(shè)法減少這個(gè)盒子的體積和重量。
這根長管子下端會(huì)懸掛需要送上天的裝置。浮空器實(shí)際上提供的是一個(gè)可以在空中長時(shí)間懸停的工作平臺。根據(jù)不同的需要，在上面掛載不同的裝置。比如用于安保的高清監(jiān)視設(shè)備，能夠監(jiān)測很大面積的情況。裝載空氣成分分析裝置，能夠在高空完整記錄霧霾的形成和消散過程，為科研人員提供第一手資料。此外在軍事上也有重要的應(yīng)用。這次裝載的是通信基站設(shè)備，它在升空后能夠覆蓋很大的一片區(qū)域，節(jié)約成本。同時(shí)能夠自由移動(dòng)，起到應(yīng)急保障的作用。
翱翔天宇，一直是人類夢寐以求的理想。然而，要想飛上天際，首先要克服自身的重力。為了這個(gè)目的，人類想到了兩種辦法。第一種就是我們常見的各類飛機(jī)。通過高速移動(dòng)在翅膀上下產(chǎn)生壓力差，提供升力來舉起飛機(jī)。另一種就是利用浮力。類似于在水上的船，只要它的密度比水輕，就能浮在水面上。只要飛行器比空氣還輕，它就能飄浮起來。歷史上，以飛艇為代表的浮空器制造在20世紀(jì)初盛極一時(shí)。巨大的飛艇成為那個(gè)時(shí)代的一個(gè)象征。1936年建造的興登堡號飛艇更是人類迄今為止最大的飛行器。然而，1937年發(fā)生的興登堡號空難給了浮空器發(fā)展致命的打擊。巨大的飛艇由于氫氣爆炸，在短短幾十秒內(nèi)化為灰燼，從此飛艇退出了民用領(lǐng)域。后來隨著飛機(jī)的興起，浮空器速度慢的缺陷難以解決，它逐漸淡出了人們的視線。直到上個(gè)世紀(jì)末，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，浮空器滯空時(shí)間超長的優(yōu)勢有了用武之地，它才又逐漸煥發(fā)出生機(jī)。
氣球的升空和使用需要地面上這輛車的配合。它的學(xué)名叫做錨泊車。顧名思義，它的作用就如同船上的錨，控制著氣球的升降。氣球通過一根長長的纜繩固定在車上，通過調(diào)節(jié)繩子的長度，實(shí)現(xiàn)氣球高度的升降。浮空器細(xì)分為兩大類，一類上面有動(dòng)力裝置，以飛艇為代表，能夠自主飛行；另一類上面沒有動(dòng)力裝置，完全靠空氣提供浮力和動(dòng)力，今天放飛的氣球就屬于這一種。為了不讓它走的太遠(yuǎn)，就需要一根繩子拴住它。同時(shí)，這根繩子還提供電力和光纖傳輸，把上面收集到的信息和數(shù)據(jù)傳輸下來。
經(jīng)過一番準(zhǔn)備，所有的設(shè)備安裝檢查完畢，終于要開始進(jìn)行試飛了。接下來要對氣球進(jìn)行充氣。充入氣球內(nèi)的氣體，自然是越輕越好。我們生活中常見的最輕的氣體要數(shù)氫氣了。它不僅密度低，而且造假低廉。實(shí)際上，人們最初制造浮空器就是充入氫氣。然而，氫氣的化學(xué)性質(zhì)太過活潑，遇到空氣，很容易發(fā)生反應(yīng)并爆炸。興登堡號飛艇就是由于氫氣爆炸釀成了慘劇。痛定思痛之后，現(xiàn)在的氣球充氣全部改用氦氣。氦氣是一種惰性氣體，幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)，即使在空氣中用明火點(diǎn)，它也不會(huì)有任何變化。使用氦氣雖然成本上升了一些，卻可以最大限度保障其安全。
氣球本身的重要當(dāng)然是越輕越好。這樣下面就能懸掛更多的東西。可是更薄、更輕的氣球往往意味著強(qiáng)度更低，更不安全。實(shí)際上，球皮重量和強(qiáng)度的矛盾一直是阻礙浮空器發(fā)展的瓶頸。想讓球皮更輕，安全就不能保證，想保證安全，球皮就得越來越重。直到近年來，新的材料出現(xiàn)，才讓浮空器的制造有了新突破。
這種黑色的復(fù)合纖維就是氣球球皮的制造材料。它能不能應(yīng)對天空中種種意外情況呢？記者特地進(jìn)行了一個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
面對記者的撕扯，材料紋絲不動(dòng)。面對鋒利的剪刀，也僅僅是開了個(gè)小口。它的球皮，是一種多層復(fù)合囊體材料，由特殊的高分子復(fù)合材料做成，包含承力織物層、耐候?qū)?、阻氣層、黏結(jié)層，不僅質(zhì)量輕，而且強(qiáng)度高，不易變形，并且有很好的柔韌性和氣密性。一塊巴掌大的小小球皮，即使是兩個(gè)強(qiáng)壯男子也很難撕破。
工作人員用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了精確測試。
浮空器的制造原理并不復(fù)雜。相比于其他飛行器，造價(jià)較低是它的優(yōu)勢之一。首先將整張的原材料平鋪在桌面上，然后電腦控制的機(jī)床將其精確地裁剪成一塊一塊合適的形狀。由于浮空器是個(gè)三維立體的形狀，而原材料只有二維的平面，所以需要通過拼接縫合將其組裝起來。這個(gè)過程有點(diǎn)像裁縫做衣服，連機(jī)器都和縫紉機(jī)有些類似。不過，這里的縫合不是用針線，而是通過高溫加熱，將兩片材料牢固地黏合在一起。整個(gè)過程由電腦進(jìn)行精確控制，確保接縫處不會(huì)有一點(diǎn)縫隙，保證使用過程中不會(huì)漏氣。
與飛機(jī)相比，浮空器在很多方面都沒有什么優(yōu)勢。它的飛行速度比較慢，機(jī)動(dòng)性不足，用作軍事用途時(shí)目標(biāo)太大。這些缺點(diǎn)使浮空器逐漸被邊緣化。不過，它有著一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，那就是可以超長時(shí)間停留在空中而無需提供動(dòng)力。這是目前其他飛行器都很難做到的特點(diǎn)。正是這個(gè)特點(diǎn)，讓浮空器有了自己獨(dú)特的用武之地。這次放飛的氣球雖然屬于小型，但它在空中待上一個(gè)月是沒有任何問題的。
浮空器近年來在我國首次大顯身手，是在2010年的上海世博會(huì)期間。這個(gè)長31米、容量1600立方米的龐然大物在歷時(shí)184天的展會(huì)期間，用于世博園區(qū)監(jiān)視和預(yù)警，廣受好評。它還有一個(gè)別稱叫『天眼』，因?yàn)樗钶d的設(shè)備可24小時(shí)不間斷、360度監(jiān)控地面游客、車輛、建筑、自然景觀等環(huán)境狀態(tài)，對重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)向“了如指掌”。地上哪怕只有火柴盒大小的物體，“天眼”都能“看”得清清楚楚。2013年底，浮空器在上海市實(shí)現(xiàn)了對大氣從地面至空中1000米高度的立體探測，為城市環(huán)境治理提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。2016年的珠海航展上，“大白鯨”驚艷亮相，吸引無數(shù)人的眼球。胖胖的外形，顯得憨態(tài)可掬。與同時(shí)亮相航展、大名鼎鼎的殲20等飛機(jī)相比，這個(gè)大家伙無疑讓人覺得有點(diǎn)陌生。在航展上，由于場地條件的限制，大氣球一直停留在地面，沒有進(jìn)行升空。
浮空器的外形設(shè)計(jì)也有講究，弄成大鯨魚的造型可不是為了賣萌。這樣的造型能夠保證它遇見大風(fēng)時(shí)會(huì)被風(fēng)吹得水平移動(dòng)，而不是上下翻滾。后部的三個(gè)尾翼在遇見風(fēng)時(shí)能夠在尾部產(chǎn)生一個(gè)力矩，使氣球自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，永遠(yuǎn)保持頭部正對迎風(fēng)面，以減小大風(fēng)的影響。在空氣動(dòng)力學(xué)上，一個(gè)造型優(yōu)美的飛行器往往有著更好的空氣動(dòng)力性能。所以如果你覺得這家伙還挺可愛的，那說明它的氣動(dòng)性能一定差不了。
第二天一早，升空正式開始。放飛的過程中，系在球體表面的眾多纜繩將逐漸脫落，只留下一條主纜連接。起飛的過程中，地面上的錨泊車會(huì)隨著氣球飄動(dòng)的風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)方向，保持球體的穩(wěn)定。地面的風(fēng)速風(fēng)向比空中復(fù)雜很多，所以上升的過程要隨時(shí)調(diào)整方向。
本次氣球放飛的升空高度在一千米左右。它將在不同高度上進(jìn)行懸停、測試。如果想要飛得更高，就需要更大的氣球。
中國電科集團(tuán)38所制造的浮空器，是中國第一個(gè)全部自主設(shè)計(jì)和研發(fā)的中大型系留氣球裝備系統(tǒng)。它的出現(xiàn)打破了美國在浮空器領(lǐng)域的壟斷地位。它通過精益的空氣動(dòng)力外形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣球的穩(wěn)定飛行，能在八級大風(fēng)中保持穩(wěn)定。同時(shí)，浮空器的成功研制，也體現(xiàn)了我國在綜合工業(yè)能力上的長足進(jìn)步。關(guān)于浮空器，中國還想飛得更高更遠(yuǎn)。
大氣球成功升空了，帶著新的任務(wù)飛向天空。作為中國飛行器家族的一員，浮空器，也許沒有像C919、殲20那樣廣為人知，但一樣承載著中國人的航空強(qiáng)國夢，飛向更高、更遠(yuǎn)的未來。人們抬起頭，仿佛透過那層湛藍(lán)的大氣層，看到了燦爛的星海。
