我在青海放氣球的66天

“今年我們將發(fā)放15個高空科學(xué)氣球！在年度發(fā)放次數(shù)上首次超越NASA！” 雖然近兩年我國的高空氣球任務(wù)逐年增加，但是對比2017年的4個和2018年的5個，今年想要完成15個發(fā)放簡直是“不可能完成的任務(wù)”。

1月30日 在青海畫了一個圈

年初在制定“鴻鵠”專項(xiàng)2019年度飛行計劃的時候，在場的每個人覺得這15個球幾乎就是一個不可能完成的任務(wù)。

2019年度飛行策劃會上討論發(fā)放地點(diǎn) （攝影：黃宛寧）

為保證人力物力不間斷，高空氣球發(fā)放場的選址是很有講究的：首先，發(fā)射場的周邊地區(qū)不會是人口稠密地區(qū)，也不能有重要的安全或防護(hù)設(shè)施（例如高壓線，風(fēng)電場，核電站，軍事基地……）；不得妨礙空中交通管制，必須遠(yuǎn)離任何國際邊界；在氣球的水平飛行路徑下面也不能有大城市或者重要的設(shè)施；同時必須可以從飛行降落區(qū)安全可靠地回收球載設(shè)備。其次，交通運(yùn)輸必須方便，項(xiàng)目涉及到的人員、設(shè)備、材料以及氦氣需要方便地運(yùn)送到發(fā)放場。第三，在試驗(yàn)期間地面的風(fēng)力應(yīng)該比較弱，并且風(fēng)向改變不大。

高空氣球飛行的高度在航線之上，但是發(fā)放時會穿越航線

綜上所述，結(jié)合我們科學(xué)任務(wù)在青藏高原觀測需求，總指揮大筆一揮，在地圖上畫了一個圈，目標(biāo)鎖定青海海西州德令哈市大柴旦鎮(zhèn)。地廣人稀自不用說，周圍方圓300km只有一條國際航線，這對于目前在國內(nèi)進(jìn)行的高空科學(xué)氣球的飛行來說，已經(jīng)是非常理想的條件了。

7月9日 鴻鵠試驗(yàn)隊(duì)正式進(jìn)場

璀璨銀河下燈火通明的試驗(yàn)營地 （攝影：祝榕辰）

發(fā)放點(diǎn)青海海西州德令哈市大柴旦鎮(zhèn)海拔高達(dá)3100米，但對于我們很多上過珠峰大本營的試驗(yàn)隊(duì)員，可以說如履平地。

高空科學(xué)氣球發(fā)放需要天時（氣象窗口）地利（空域窗口）人和（設(shè)備狀態(tài)）缺一不可，其中最難掌控的就是天時。

高空科學(xué)氣球本身無動力，其運(yùn)動受風(fēng)場驅(qū)動，對氣象條件，尤其是風(fēng)場的要求非常高。所以氣象保障和軌跡預(yù)測的工作對于高空科學(xué)氣球的發(fā)放窗口決策至關(guān)重要。

發(fā)放當(dāng)天，風(fēng)速要求盡量小，并且在地面以及300米以下的低空，風(fēng)向需要相同且穩(wěn)定（如果地面和低空的風(fēng)向相反，風(fēng)就會對氣球產(chǎn)生類似于剪刀的剪切效果）。此外，氣球需要上升并進(jìn)入一個稱為準(zhǔn)零風(fēng)層的高度，這個高度的風(fēng)向比較穩(wěn)定，風(fēng)速較小，并且在此高度上下存在東西風(fēng)向的切變。高空科學(xué)氣球如果要進(jìn)行長航時的飛行，需要找到準(zhǔn)零風(fēng)層，在此高度駐留，并通過高度調(diào)節(jié)來尋找需要的風(fēng)向。但準(zhǔn)零風(fēng)層的高度是隨著位置和季節(jié)而動態(tài)變化的。

空中鳥瞰試驗(yàn)營地 （攝影：黃宛寧）

7月20日至24日 搶時間抓氣象窗口

高空氣球的發(fā)放流程一般是這樣的：設(shè)備準(zhǔn)備完畢進(jìn)入待飛-->高空風(fēng)場合適-->申報空域-->空域批準(zhǔn)-->觀察地面風(fēng)速-->如果風(fēng)速較小-->進(jìn)場準(zhǔn)備發(fā)放。

高空氣球發(fā)放準(zhǔn)備流程

空域是指各種航空器運(yùn)行的空間區(qū)域，屬于寶貴的國家資源。由于高空科學(xué)氣球的飛行高度會跨過航線，所以每次飛行都必須申請空域。空域除了空間上的限制，也會有時間上的要求。比如這次空管部門給我們劃定了允許飛行的空間范圍之后，還要求我們每次飛行都要提前申報，大部分限定的發(fā)放時間都是在夜間。當(dāng)然也出現(xiàn)過萬事俱備只欠空域，而最終未獲批準(zhǔn)的情況。

動態(tài)發(fā)放設(shè)備準(zhǔn)備就緒 （攝影：屈維）

可以看出，空域申報成功后地面風(fēng)速是個決定因素。所以在微信群里就出現(xiàn)了這樣令人費(fèi)解的通知：“明天空域已批，大家注意群里通知，若屆時地面風(fēng)小，1:30出發(fā)；若地面風(fēng)大，3點(diǎn)出發(fā)。”既然地面風(fēng)大，那3點(diǎn)出發(fā)干啥呢？到場地坐等地面風(fēng)速減小！為了能夠保證在天亮之前發(fā)放，我們必須凌晨進(jìn)入試驗(yàn)場地，所以枕戈待旦就成了家常便飯。凌晨2到5點(diǎn)，營運(yùn)客車禁止上路，所以必須趕在1:30進(jìn)場。但是到了凌晨3點(diǎn)鐘，40多人的團(tuán)隊(duì)只能由一輛小轎車往返接送。

好在大柴旦這塊福地，在一個天氣過程（某種天氣及其相應(yīng)的天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的演變過程，是天氣分析和天氣預(yù)報需考慮的重要步驟，例如大風(fēng)降溫天氣過程）過后，會連續(xù)出現(xiàn)幾天比較好的氣象窗口，掌握了這個規(guī)律，我們所要做的就是加班加點(diǎn)并行開展幾類平臺的聯(lián)調(diào)測試工作，讓設(shè)備早日進(jìn)入待飛狀態(tài)，一旦氣象窗口合適，則抓住機(jī)會連續(xù)進(jìn)行發(fā)放。

在7月20日至7月24日，試驗(yàn)隊(duì)連續(xù)5天凌晨2點(diǎn)進(jìn)場，實(shí)現(xiàn)了窗口期多個氣球的連續(xù)發(fā)放。

8月28日 與NASA賽跑 共同聚焦空間天氣

8月28日雙球伴飛觀測地磁暴 （攝影：黃宛寧）

8月底的時候，我們的一個飛行試驗(yàn)是通過臨近空間原位探測太陽冕洞爆發(fā)引發(fā)的地磁暴現(xiàn)象，研究空間天氣現(xiàn)象對人類空間活動的影響。我們關(guān)注到同時期NASA也有一個高空球載日冕儀（BITSE：the balloon-borne investigation of Temperature and Speed of Electrons in the corona）的項(xiàng)目準(zhǔn)備發(fā)放，通過測量日冕的密度，電子速度和溫度，來揭示太陽風(fēng)暴的成因，而太陽風(fēng)暴就是一種典型的空間天氣現(xiàn)象（作者注：太陽上出現(xiàn)的耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運(yùn)行和安全，以及人類健康，帶來嚴(yán)重影響和危害，這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣）。

空間天氣活動示意圖

因?yàn)樘柮岫椿顒佑谢顒又芷冢覀兒蚇ASA都瞄準(zhǔn)了8月28號左右這個窗口。我們在8月28日連續(xù)發(fā)放了兩個高空氣球搭載了2類9臺科學(xué)儀器在臨近空間高度進(jìn)行原位探測，NASA雖然在8月28號也做好了發(fā)放準(zhǔn)備，但是因?yàn)榈孛骘L(fēng)的原因，遲遲沒有發(fā)放成功。9月1日和9月4日，我們又分別發(fā)放了一次高空氣球搭載不同的載荷對太陽冕洞活動的平靜期進(jìn)行了對比觀測，而NASA一直等到9月18日才獲得一個理想的地面氣象窗口，最終發(fā)放成功。大柴旦地區(qū)極佳的地面風(fēng)場環(huán)境為我們連續(xù)進(jìn)行發(fā)放創(chuàng)造了氣象條件。

9月12日 趕在中秋節(jié)回家

試驗(yàn)成功的喜悅溢于言表（攝影：黃宛寧）

從7月9日我們鴻鵠試驗(yàn)隊(duì)正式進(jìn)場，到9月12日，當(dāng)我們坐上返京的飛機(jī)，回家過中秋節(jié)時，我們在青海交出了66天發(fā)放12個高空氣球，總飛行時間超過168小時的成績單。由空天院研制的高空氣球平臺單次最長飛行時間達(dá)到了30小時53分，創(chuàng)造了高空科學(xué)氣球在國內(nèi)空域飛行時長的新紀(jì)錄，并首次實(shí)施了不同高度的受控飛行和大范圍迂回，嘗試了飛行剖面和落點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，成功實(shí)施了大范圍飛行過程中，多點(diǎn)探空數(shù)據(jù)對飛行控制的輔助決策支撐，以及長航時遠(yuǎn)距離飛行中的接力測控技術(shù)。在與NASA BITSE項(xiàng)目賽跑開展空間天氣研究的地磁暴觀測飛行試驗(yàn)中，我們在國內(nèi)首次使用雙球同時伴飛實(shí)現(xiàn)針對同一科學(xué)目標(biāo)的多任務(wù)載荷搭載飛行（兩大類9個），開創(chuàng)了多任務(wù)載荷高空氣球飛行新模式。采用了兩種不同方式的地面發(fā)放支持系統(tǒng)并行操作，優(yōu)化了發(fā)放流程；有效降低了地面操作人數(shù)。采用了兩地四站雙模式測控鏈路并行工作方式，實(shí)現(xiàn)了兩個高空科學(xué)氣球全時段全天候無依托跟蹤測控。

作者簡介：

黃宛寧，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院浮空器系統(tǒng)研究發(fā)展中心高級工程師，主要從事浮空器遙測遙控和載荷應(yīng)用等研究工作。