CN105954818A - 一种平流层气象参数定高探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平流层气象参数定高探测装置，包括探空气球、定高气球和气象探空仪，所述探空气球位于所述定高气球的上方，所述气象探空仪位于所述定高气球的下方，所述探空气球和所述定高气球通过探空铅垂绳相连接，所述定高气球和所述气象探空仪通过定高铅垂绳相连接，所述探空铅垂绳上设置有用于在所述探空气球和定高气球到达目标高度后切断所述探空铅垂绳的切割装置。该定高探测装置的结构简单，易操作，成本低廉，飞行高度可调，准备时间短，易于灵活实施，能够有效的提高平流层气象参数定高探测的可靠性。

Description

一种平流层气象参数定高探测装置

技术领域

本发明属于气象参数定高探测技术领域，具体是涉及一种平流层气象参数定高探测装置。

背景技术

平流层气象参数是研究平流层大气动力学和环境预警的最主要参数。精确的平流层气象数据可提高平流层天气变化的预测能力、提高气象保障的准确性。目前全球能够提供平流层气象垂直分布数据的探测手段，包括原位探测技术和遥感探测技术，原位探测技术是施放探空气球携带气象探空仪进行平流层气象参数探测的一种方法，一般可实现地面到35km的大气参量廓线的探测，该方法探测一条大气参量廓线需要1.5h，实时性差。遥感探测技术是利用无线电雷达和激光雷达对平流层气象参数进行探测的一种方法，能够实现0.05km-110km平流层气象参数的探测，该方法探测一条大气参量廓线至少需要10min，且探测精度比原位探测精度低。因此，现有的平流层气象参数探测手段实时性不好，精度不能满足要求，且操作起来比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种平流层气象参数定高探测装置。该定高探测装置的结构简单，易操作，成本低廉，飞行高度可调，准备时间短，易于灵活实施，能够有效的提高平流层气象参数定高探测的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：包括探空气球、定高气球和气象探空仪，所述探空气球位于所述定高气球的上方，所述气象探空仪位于所述定高气球的下方，所述探空气球和所述定高气球通过探空铅垂绳相连接，所述定高气球和所述气象探空仪通过定高铅垂绳相连接，所述探空铅垂绳上设置有用于在所述探空气球和定高气球到达目标高度后切断所述探空铅垂绳的切割装置。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割装置为定时切割装置，所述切割装置包括用于执行切割动作的切割执行机构和用于控制所述切割执行机构的切割控制装置。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割控制装置包括用于预置所述探空铅垂绳切割时间的时间控制开关，以及用于接收、存储所述切割时间并在晶振工作到所述切割时间发出脉冲控制信号的单片机，还包括用于为所述切割执行机构供电的供电电源和用于接收所述单片机发出的所述脉冲控制信号以使所述切割执行机构与所述供电电源接通的继电器，所述时间控制开关与所述单片机的输入端相接，所述单片机的输出端与所述继电器相接，所述继电器串联在所述供电电源为所述切割执行机构供电的供电回路中。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割执行机构包括壳体和上刀体以及与所述上刀体相配合以将所述探空铅垂绳切断的下刀体，所述下刀体包括可动铁芯和缠绕在所述可动铁芯上的电磁线圈，所述上刀体的下端设置有上刀口，所述可动铁芯的上端设置有与所述上刀口相对应的下刀口，所述壳体上位于所述上刀口和下刀口之间设置有供所述探空铅垂绳穿过的切割孔。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述单片机的输出端连接有显示屏。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述探空气球和所述定高气球均为氢气气球。

上述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述探空铅垂绳和所述定高铅垂绳均为高强度纤维绳。

上所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述气象探空仪为GPS数字气象探空仪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单，设计新颖合理，成本低廉，无需复杂的通信系统，易于机动灵活实施，满足了气象参数定高探测的实时性要求。

2、本发明通过切割装置对探空铅垂绳的定时切割，并且用于对探空铅垂绳定时切割的切割时间是通过多次实验得出的经验值，这种控制方式比较简单，避免复杂的反馈闭路控制方式。

3、本发明的切割执行机构结构简单，操作简便，能够快速、有效的切断探空铅垂绳。

4、本发明通过采用高强度纤维绳制成探空铅垂绳和定高铅垂绳，既满足了强度要求，也达到了重量轻好上升的目的，并且还满足了所述切割执行机构对所述探空铅垂绳快速、有效切割的目的。

5、本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明切割装置的原理框图。

图3为本发明切割执行机构的结构示意图。

附图标记说明:

1—探空气球； 2—切割装置； 2-1—切割执行机构；

2-1-1—壳体； 2-1-2—上刀体； 2-1-3—可动铁芯；

2-1-4—电磁线圈； 2-1-5—上刀口； 2-1-6—下刀口；

2-1-7—切割孔； 2-2—时间控制开关； 2-3—单片机；

2-4—继电器； 2-5—供电电源； 2-6—显示屏；

3—定高气球； 4—气象探空仪； 5—定高铅垂绳；

6—探空铅垂绳。

具体实施方式

如图1所示的一种平流层气象参数定高探测装置，包括探空气球1、定高气球3和气象探空仪4，所述探空气球1位于所述定高气球3的上方，所述气象探空仪4位于所述定高气球3的下方，所述探空气球1和所述定高气球3通过探空铅垂绳6相连接，所述定高气球3和所述气象探空仪4通过定高铅垂绳5相连接，所述探空铅垂绳6上设置有用于在所述探空气球1和定高气球3到达目标高度后切断所述探空铅垂绳6的切割装置2。

本实施例中，该定高探测装置在使用时，通过探空气球1和定高气球3为该定高探测装置提供向上的总浮力，其中，所述探空气球1是浮力的主要提供者，所述探空气球1和定高气球3在浮力作用下使该定高探测装置上升达到目标高度，此时，通过所述切割装置2切断所述探空铅垂绳6，于是，所述探空气球1继续上升至30km左右自行破裂，而定高气球3和气象探空仪4则留在设计高度进行气象参数的连续探测，这样能够精确的将气象探空仪4输送至待探测的位置。

本实施例中，该定高探测装置的结构简单，易操作，成本低廉，飞行高度可调，准备时间短，易于灵活实施，满足了气象参数定高探测的实时性要求，能够有效的提高平流层气象参数定高探测的可靠性。

本实施例中，所述切割装置2为定时切割装置，所述切割装置2包括用于执行切割动作的切割执行机构2-1和用于控制所述切割执行机构2-1的切割控制装置。通过切割装置2对探空铅垂绳6的定时切割，并且用于对探空铅垂绳6定时切割的切割时间是通过多次实验得出的经验值，这种控制方式比较简单，避免复杂的反馈闭路控制方式。

如图2所示，所述切割控制装置包括用于预置所述探空铅垂绳6切割时间的时间控制开关2-2，以及用于接收、存储所述切割时间并在晶振工作到所述切割时间发出脉冲控制信号的单片机2-3，还包括用于为所述切割执行机构2-1供电的供电电源2-5和用于接收所述单片机2-3发出的所述脉冲控制信号以使所述切割执行机构2-1与所述供电电源2-5接通的继电器2-4，所述时间控制开关2-2与所述单片机2-3的输入端相接，所述单片机2-3的输出端与所述继电器2-4相接，所述继电器2-4串联在所述供电电源2-5为所述切割执行机构2-1供电的供电回路中。

本实施例中，通过向单片机2-3预置对所述探空铅垂绳6进行切割的切割时间，在当探空气球1和定高气球3到达目标高度的同时，所述单片机2-3正好晶振工作到预置的所述切割时间并向继电器2-4发出脉冲控制信号，从而使为所述切割执行机构2-1供电的供电回路接通，使所述切割执行机构2-1开始工作，进而有效达到对探空铅垂绳6定时切割的目的。并且，所述时间控制开关2-2能够在0秒-16.6小时时间范围内任意设置时间。

如图3所示，所述切割执行机构2-1包括壳体2-1-1和上刀体2-1-2以及与所述上刀体2-1-2相配合以将所述探空铅垂绳6切断的下刀体，所述下刀体包括可动铁芯2-1-3和缠绕在所述可动铁芯2-1-3上的电磁线圈2-1-4，所述上刀体2-1-2的下端设置有上刀口2-1-5，所述可动铁芯2-1-3的上端设置有与所述上刀口2-1-5相对应的下刀口2-1-6，所述壳体2-1-1上位于所述上刀口2-1-5和下刀口2-1-6之间设置有供所述探空铅垂绳6穿过的切割孔2-1-7。

本实施例中，所述切割执行机构2-1在工作时，即当单片机2-3向继电器2-4发出脉冲控制信号时，进而为所述切割执行机构2-1供电的供电回路接通，即为所述切割执行机构2-1的电磁线圈2-1-4通电，通电后的电磁线圈2-1-4使可动铁芯2-1-3得电，得电后的可动铁芯2-1-3向上刀体2-1-2的方向移动，即上刀口2-1-5和下刀口2-1-6相互配合将所述探空铅垂绳6切断，所述切割执行机构2-1的结构简单，操作简便，能够快速、有效的切断探空铅垂绳6。

本实施例中，所述壳体2-1-1固定在所述探空铅垂绳6上，当所述探空铅垂绳6被切断后，所述切割装置2随探空气球1一起上升，当探空气球1爆炸后，所述切割装置2坠落。

如图2所示，所述单片机2-3的输出端连接有显示屏2-6。通过设置显示屏2-6，能够对预置的所述控制时间进行显示，以方便操作人员确认所述控制时间预置成功。

本实施例中，所述探空铅垂绳6和所述定高铅垂绳5均为高强度纤维绳。通过采用高强度纤维绳制成探空铅垂绳6和定高铅垂绳5，既满足了强度要求，也达到了重量轻好上升的目的，并且还满足了所述切割执行机构2-1对所述探空铅垂绳6快速、有效切割的目的。

本实施例中，所述气象探空仪4为GPS数字气象探空仪。采用GPS数字气象探空仪，能够达到无需复杂通信系统，即可得到气象参数的目的。

本实施例中，所述探空气球1为氢气气球，所述探空气球1是体积为V₁的圆形气球，ρ_H1为球内充灌氢气的密度，B₁为球皮、切割装置2、探空铅垂线6的总重量，ρ为空气密度，则所述探空气球1的浮力F₁及其氢气重力f₁分别为：

F₁＝ρgV₁ (1)

f₁＝ρ_H1gV₁ (2)

本实施例中，所述定高气球3为氢气气球，并且是体积为V₂的定容圆形气球，ρ_H为球内充灌氢气的密度，B₂为球皮、定高铅垂绳5和气象探空仪4的总重量，ρ₀为地面空气密度。则所述定高气球3在地面处所受浮力F₂₀及其氢气重力f₂分别为：

F₂₀＝ρ₀gV₂ (3)

f₂＝ρ_HgV₂ (4)

本实施例中，气球在地面处所受浮力为F₂₀，达到目标高度后的浮力为F₂，整个装置的浮力F为探空气球1和定高气球3的浮力之和：

F＝F₁+F₂ (5)

本实施例中，整个系统的重量f为：

f＝f₁+f₂+B₁+B₂ (6)

本实施例中，所述定高气球3定高探测的目标高度为h，在该高度空气密度为ρ，则有：

F₂＝f₂+B₂ (7)

由公式(7)得：ρgV₂＝ρ_HgV₂+B₂ (8)

本实施例中，整个装置在浮力F的作用下上升，当定高气球3上升至目标高度h时，所述切割装置2切断所述探空铅垂绳6，所述探空气球1继续上升直至球炸，所述定高气球3和气象探空仪4则留在目标高度h处进行定高探测。

本实施例中，根据既定施放的目标高度h(为一个范围值)，可以确定所述定高气球3的充气量，调节所述定高气球3在地面上的净举力，使所述定高气球3上升至目标高度h后达到平衡。设所述定高气球3的体积为V₂，所述定高气球3内充灌氢气的密度为ρ_H，球皮、定高铅垂线5及气象探空仪4的总重量为B₂，气球在地面处所受浮力为F₂₀，达到目标高度h后的浮力为F₂，地面上和目标高度h上空气的温度、压力、密度分别为T₀、P₀、ρ₀和T、P、ρ，在地面上的净举力为A。根据阿基米得原理，可用下列方程组求解:

F₂₀－B₂－ρ_HgV₂＝A (9)

F₂＝B₂+ρ_HgV₂ (10)

又因为

$F_{20}={\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{gV}}_2=\frac{P_0}{R_d{T}_0}{V}_2---\left(11\right)$

$F_2={\mathrm{\ρgV}}_2=\frac{P}{R_{d}T}{V}_2---\left(12\right)$

则

由公式(8)得

$V_2=\frac{B_2}{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_H}---\left(14\right)$

将公式(14)带入公式(13)得

$A=\frac{B_2{R}_H}{R_H-R_d}(1-\frac{{\mathrm{PT}}_0}{P_{0}T})---\left(15\right)$

令

公式(16)中R_H和R_d分别为氢气和干空气的比气体常数，代入公式(15)得

根据地面及目标高度h观测的气压(mb)、气温(K)和球皮、负载物总重量(克)，由公式(17)确定所述定高气球3在地面上应有的净举力(A)，由公式(13)确定到达目标高度h时定高气球3的体积(V₂)，进而确定定高气球3的充气量。当定高气球3的体积(V₂)确定好以后，可以通过公式(12)确定所述定高气球3达到目标高度h后的浮力F₂和定高气球3在地面处所受浮力为F₂₀，进而预估出探空气球1内充其量，并通过多次实验确定该定高探测装置到达目标高度h后所需的时间，从而能够确定所述切割装置2对所述探空铅垂绳6进行切割的切割时间。

下面是以2015年11月12日13：00时进行了气象参数定高探测实验来进行举例说明：

目标高度13km，地面压强P₀＝888hPa，地面温度T₀＝279.8K，13km高度处大气压强P＝207.8hPa，大气温度T＝211.04K，定高气球3球皮、铅垂线5及气象探空仪4的总重量为B₂＝2.02Kg，干空气的比气体常数R_d＝287J/(Kg·K),将以上参数代入公式(17)计算得净举力A为：

$A=1.0274(1-\frac{{\mathrm{PT}}_0}{P_{0}T})\·B_2=1.4178Kg$

将以上相应参数代入公式(13)计算得到定高气球体积V₂为：

$V_2=\frac{{\mathrm{AR}}_d{T}_{0}T}{P_{0}T-{\mathrm{PT}}_0}=185.7m^3$

探空气球1使用1.6kg的乳胶气球，充入8m³的氢气以6m/s升速携带定高探测装置升空，上升至13km高度所用的时间为2167s，在定高探测装置准备放飞时，设置切割装置2的切割时间为2167s，在定高探测装置上升2167s到达大约13km高度时，切割装置2切割所述探空铅垂绳6，探空铅垂绳6断开，探空气球1携带切割装置2继续上升直至球炸，定高气球3和探空仪4在13Km附近进行定高探测直至探测任务完成。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：包括探空气球(1)、定高气球(3)和气象探空仪(4)，所述探空气球(1)位于所述定高气球(3)的上方，所述气象探空仪(4)位于所述定高气球(3)的下方，所述探空气球(1)和所述定高气球(3)通过探空铅垂绳(6)相连接，所述定高气球(3)和所述气象探空仪(4)通过定高铅垂绳(5)相连接，所述探空铅垂绳(6)上设置有用于在所述探空气球(1)和定高气球(3)到达目标高度后切断所述探空铅垂绳(6)的切割装置(2)。

2.根据权利要求1所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割装置(2)为定时切割装置，所述切割装置(2)包括用于执行切割动作的切割执行机构(2-1)和用于控制所述切割执行机构(2-1)的切割控制装置。

3.根据权利要求2所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割控制装置包括用于预置所述探空铅垂绳(6)切割时间的时间控制开关(2-2)，以及用于接收、存储所述切割时间并在晶振工作到所述切割时间发出脉冲控制信号的单片机(2-3)，还包括用于为所述切割执行机构(2-1)供电的供电电源(2-5)和用于接收所述单片机(2-3)发出的所述脉冲控制信号以使所述切割执行机构(2-1)与所述供电电源(2-5)接通的继电器(2-4)，所述时间控制开关(2-2)与所述单片机(2-3)的输入端相接，所述单片机(2-3)的输出端与所述继电器(2-4)相接，所述继电器(2-4)串联在所述供电电源(2-5)为所述切割执行机构(2-1)供电的供电回路中。

4.根据权利要求3所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述切割执行机构(2-1)包括壳体(2-1-1)和上刀体(2-1-2)以及与所述上刀体(2-1-2)相配合以将所述探空铅垂绳(6)切断的下刀体，所述下刀体包括可动铁芯(2-1-3)和缠绕在所述可动铁芯(2-1-3)上的电磁线圈(2-1-4)，所述上刀体(2-1-2)的下端设置有上刀口(2-1-5)，所述可动铁芯(2-1-3)的上端设置有与所述上刀口(2-1-5)相对应的下刀口(2-1-6)，所述壳体(2-1-1)上位于所述上刀口(2-1-5)和下刀口(2-1-6)之间设置有供所述探空铅垂绳(6)穿过的切割孔(2-1-7)。

5.根据权利要求3所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述单片机(2-3)的输出端连接有显示屏(2-6)。

6.根据权利要求1所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述探空气球(1)和所述定高气球(3)均为氢气气球。

7.根据权利要求1所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述探空铅垂绳(6)和所述定高铅垂绳(5)均为高强度纤维绳。

8.根据权利要求1所述的一种平流层气象参数定高探测装置，其特征在于：所述气象探空仪(4)为GPS数字气象探空仪。