CN108345311A - 一种膨胀型平漂探空气球的施放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膨胀型平漂探空气球的施放方法，该方法通过查询预设平漂高度大气气压、温度、密度等参数，辅以球皮压差、温度辐射修正，并计算膨胀型气球施放时的地面净举力，当气球达到所述特定的地面净举力时进行施放，可以实现采用膨胀型气球定高平漂的功能。本发明针对制作技术难度小、性价比高且施放十分便捷的膨胀型气球，提供了一种通过确认施放地面净举力进行施放的方法，可以避免球内球外压力差导致的气球球皮发生向外伸张膨胀，从而实现膨胀型平漂探空气球在一定高度下长时间的平漂。

Description

一种膨胀型平漂探空气球的施放方法
技术领域
本发明涉及高空气象探测领域，具体涉及一种膨胀型平漂探空气球的施放方法。
背景技术
探空气球采用橡胶或聚脂薄膜材料制成球皮，充以比空气密度小的氢气或氦气，携带探空仪器升空，在上升过程中对大气环境要素和空间环境要素(如：大气密度、风向、风速、温度、湿度、电场强度、电子密度、离子密度等)进行原位探测。根据气球球皮材质的不同，主要分为膨胀型和非膨胀型两大类。膨胀型主要指采用天然胶乳为主体材料制成球皮，利用内灌密度小于空气的气体所产生的浮力为升空动力，在上升过程中，随着大气密度减小，气球自身由于其良好的伸张性能可持续膨胀提供越来越大的体积以保持向上飞行浮力，整个飞行过程中，升空浮力基本维持不变，直至气球直径达到极限炸裂。非膨胀型气球升空原理则不同，它根据设定飞行高度下大气密度及气球自重和负载重量预先地面设计好气球所需体积，飞行过程中，浮力是一个不断减小的过程。
传统的平漂气球主要采用非膨胀型类气球，根据所需平漂工作高度及负载重量等参数进行设计。
假设平漂高度设定为25km，某非膨胀型气球自重为0.78kg，负载重量为0.65kg。查询25km高度大气密度大致为0.0421kg/m3，该气球所需设计体积设为V，充灌氢气质量忽略不计，则有以下关系式：
F浮＝ρ25kmgV＝G球重+G负载重
V＝(G球重+G负载重)/(ρ25kmg)＝33.97m3
即将该非膨胀型气球设计成展开体积为33.97立方米的球体，即可满足飞行高度为25km时，气球上下合力为零，实现平漂。
然而，该类型气球实现平漂存在的缺陷主要有以下几点：1)材质设计技术难度大，目前非膨胀型气球主要采用聚乙烯薄膜多层复合制成，材料基本采用进口，复合技术国内多处于研发阶段，技术不成熟，此外，该类气球主要采用热熔拼接，接缝处极易漏气，成型难度大；2)造价高，由于主要材料受限进口，加之成型技术难度大，气球制作成本高居不下，多用于科研实验，难以业务化运行使用；3)施放操作不便，由于气球体积庞大，一般的小型充气房难以容纳，室外充气要求无风情况下才可顺当操作，加之气球体积达，风阻也大，升空速度较慢。
而目前国内外，采用膨胀型气球即天然胶乳或氯丁胶乳气球作为平漂气球的功能尚未见报道。膨胀型气球制作技术难度相对较小，性价比极高，且施放十分便捷，易于实现组网业务运行，在实际应用时，通常都是地面充灌一定量的氢气或氦气，使气球具备合适的向上净举力实现向上飞行直至气球炸裂结束工作使命。但由于该类气球本身具有良好的伸张性能，对于球内球外气压稍微产生压力差即可使气球球皮发生向外伸张(即膨胀)，因而较难实现一定高度下的平漂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种膨胀型平漂探空气球的施放方法，本发明通过计算膨胀型气球的充气量(实际操作时换算成施放时的地面净举力)，当气球达到所述特定的地面净举力时进行施放，可以实现采用膨胀型气球定高平漂的功能。
本发明所述膨胀型平漂探空气球优选采用天然胶乳或氯丁胶乳材质的球皮制备而成。
理论上讲，为使得气球在设定高度下平漂而不是向上飞行，在该高度下净举力为零即可满足要求。本发明的关键点在于，在稳定气球性能的基础上(如保证球皮伸张性能一致使球内压差维持基本定值)，通过引入压差修正和温度修正，控制气球地面充气量(即施放时的地面净举力)，从而达到预设高度平漂的目的。
由于气球体积不易准确计量，本发明将地面气球体积换算成净举力，从而比较容易实现对气球充气程度的控制。
具体而言，本发明提供的膨胀型平漂探空气球的施放方法包括如下步骤：
(1)确定膨胀型探空气球自身的质量m球m球和负载质量m载；确定所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h，并查询该高度下大气的温度Th、压强Ph以及密度ρh，同时查询施放地区地面大气的温度T地以及压强P地；
(2)按照如下公式计算所述膨胀型探空气球施放时的地面净举力F举：
其中：
设气球在地面时，球内气体压强P'地等于地面大气压强P地，球内气体温度T'地等于地面大气温度T地，球内充入的气体为氢气，是理想气体；
Vh代表在高度为h时气球的体积，由如下公式计算
Ph'代表在高度为h时气球内气体的压强，由如下公式计算：P′h＝Ph+△P；
Th'代表在高度为h时气球内气体的温度，由如下公式计算：T′h＝Th+△T；
(3)向所述膨胀型探空气球内充入氢气，至所述气球的地面净举力达到所述F举时停止充气，施放气球，即可。
以上公式中g代表重力加速度，可取9.8N/kg或10N/kg；ρ氢代表氢气的密度，具体为0.0899g/L。
所述△P代表气球膨胀过程中球内气体压强与球外大气压强的差值。所述差值随着高度变化的结果如图1所示；本发明所述压力差(△P)随高度(h)变化的函数可近似取△P＝-7*10^(-14)*h^3+4*10^(-9)*h^2-6*10^(-5)*h+0.6227。当所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h为25km时，所述ΔP为0.5hPa。
由于本发明气球的球皮采用的材料不能完全导热，本发明所述△T代表球内气体的温度与球外大气温度的差值。当不存在太阳辐射，即施放时间为夜晚时，所述差值△T随高度变化曲线图如图2所示。本发明所述温度差(△T)随高度(h)变化的函数可近似取△T＝-7*10^(-12)*h^3-4*10^(-7)*h^2+0.0044*h+8.8289。当所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h为25km时，所述ΔT为15K。
本发明进一步考虑在白天施放时太阳辐射对球内温度的影响，因此，当所述施放时间是白天时，需加入太阳辐射修正订正。当存在太阳辐射，即施放时间为白天时，所述差值△T随高度变化曲线图如图3所示。太阳辐射主要影响球内温度变化从而导致温差与上述温差随高度变化公式存在一定差值，有太阳辐射时，温差计算公式可修正为△T＝-9*10^(-15)*h^4-9*10^(-10)*h^3-3*10^(-5)*h^2+0.5164*h-2957.6。
由于太阳辐射随地区及时节有所变化，上式只能确定一个基本值，实际施放过程中还要根据地区和时节进行适当调整，可采用经验推算，即先按辐射温差公式计算出预设高度平漂所需地面充气净举力，根据施放实际情况(平漂、上升、下降)调节地面充气净举力至平漂，再反算出温差，从而对公式系数及常数进行微调。
本发明提供的方法通过查询预设平漂高度大气气压、温度、密度等参数，辅以球皮压差、温度辐射修正，即可控制地面充气量实现预设高度平漂。本发明针对制作技术难度小、性价比高且施放十分便捷的膨胀型气球，提供了一种通过确认施放地面净举力进行施放的方法，可以避免球内球外压力差导致的气球球皮发生向外伸张膨胀，从而实现膨胀型平漂探空气球在一定高度下长时间的平漂。
附图说明
图1为压差随高度变化曲线图；
图2为无太阳辐射时温差随高度变化曲线图；
图3为有太阳辐射时温差随高度变化曲线图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一个在内蒙古临河气象局夜间施放胶乳探空气球的方法，具体为：
(1)确定胶乳探空气球自身的质量m球为0.78kg，负载质量m载为0.65kg；确定所述胶乳探空气球的目标平漂高度h为25km，查询25km高度下大气的温度Th约为224.5K、压强Ph约为27.2hPa、密度ρh约为0.0421kg/m3；同时查询施放地区地面大气的温度T地约为293K、压强P地约为1000hPa以及大气密度ρ地约为1.293kg/m3；
(2)按照如下公式计算所述胶乳探空气球施放时的地面净举力F举：
其中：气球在地面时，球内气体压强P'地等于地面大气压强P地，即为1000hPa，球内气体温度T'地等于地面大气温度T地，即为293K，球内充入的气体为氢气，密度为0.0899g/L，是理想气体；
Vh代表在高度为25km时气球的体积，由如下公式计算
Ph'代表在高度为25km时气球内气体的压强，由如下公式计算：P′h＝Ph+0.5hPa；
Th'代表在高度为25km时气球内气体的温度，由如下公式计算：T′h＝Th-15k；
经计算，所述胶乳探空气球在地面时的净举力F举为0.15kg*g即1.5N；
(3)向所述膨胀型探空气球内充入氢气，至所述气球的地面净举力达到1.5N时停止充气，施放气球，即可。
经实际施放操作，按照上述方案施放的乳胶探空气球可在25km的高度平漂5h。
实施例2
本实施例提供了一个在内蒙古临河气象局日间施放胶乳探空气球的方法。
在实施例1的基础上，考虑太阳辐射导致的球内温度变化，加入太阳辐射修正订正；根据修正，球内温度约高于大气温度28℃，由此计算出白天施放地面净举力F举为-0.12kg*g即1.2N；向所述乳胶探空气球内充入氢气，至所述气球的地面净举力达到1.2N时停止充气，施放气球，即可。
经实际施放操作，按照上述方案施放的乳胶探空气球可在25km的高度平漂5h。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种膨胀型平漂探空气球的施放方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定膨胀型探空气球自身的质量m球和负载质量m载；确定所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h，并查询该高度下大气的温度Th、压强Ph以及密度ρh，同时查询施放地区地面大气的温度T地、压强P地以及密度ρ地；
(2)按照如下公式计算所述膨胀型探空气球施放时的地面净举力F举：
其中：
设气球在地面时，球内气体压强P'地等于地面大气压强P地，球内气体温度T'地等于地面大气温度T地，球内充入的气体为氢气，是理想气体；
Vh代表在高度为h时气球的体积，由如下公式计算
P′h代表在高度为h时气球内气体的压强，由如下公式计算：P′h＝Ph+△P；
T′h代表在高度为h时气球内气体的温度，由如下公式计算：T′h＝Th+△T；
(3)向所述膨胀型探空气球内充入氢气，至所述气球的地面净举力达到所述F举时停止充气，施放气球，即可。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述△P＝-7*10^(-14)*h^3+4*10^(-9)*h^2-6*10^(-5)*h+0.6227。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h为25km时，所述ΔP为0.5hPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述施放时无太阳辐射时，所述△T＝-7*10^(-12)*h^3-4*10^(-7)*h^2+0.0044*h+8.8289。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述膨胀型探空气球的目标平漂高度h为25km时，所述ΔT为15K。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，当所述施放时有太阳辐射时，所述△T＝-9*10^(-15)*h^4-9*10^(-10)*h^3-3*10^(-5)*h^2+0.5164*h-2957.6。
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