CN113086155A - 一种高稳定性气象气球及其应用系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性气象气球及其应用系统和方法，气象气球包括充气后呈正球形的光面气球、套置于光面气球外的棘面气球，两者材质均为透明橡胶，两者的球柄处设置充气接头，充气接头设置一个中心通道作为光面气球的充气通道、两个关于中心通道对称的左右通道分别作为棘面气球的充气通道和出气通道；棘面气球外均布与其内腔连通的充气囊体；两气球充气后，光面气球的外壁与棘面气球的内壁贴合。气球表面的充气囊体在上升过程中的流场中，水平振荡幅度相对于光滑球很小，风阻相对于光滑球更大，能精确反映风的运动速度和方向，有利于测。还能显著减小载荷舱的振荡幅度，保护载荷舱的内部结构，提高科学载荷的测量精度。

Description

一种高稳定性气象气球及其应用系统和方法

技术领域

本发明属于气象探测及科学探测领域，尤其为一种高稳定性气象气球及其应用系统和方法。

背景技术

气象气球是探测空中气象普遍采用的一种工具，常被气象部门用于检测当地上空的气象，或者被用于导弹发射、火箭升空、船舶出海前的目标空域的风场测量。目前，这种气象气球最常见结构是在一个直径为几米的球形气球下挂小重量的科学载荷；当用于测量风场的速度和方向时，通过地面雷达实时跟踪气球的位置，通过检测气球位置变化以此算出气球速度，并将气球的运动速度视为风速，因此气球能否精确反映风的运动就决定了这种方式的测风精度；当用于采集其它气象信息或研究大气物理过程时，气球下挂的科学载荷就是主要工作对象，由于科学载荷的水平振荡幅度的大小取决于气球的水平振荡幅度大小，所以水平方向稳定性高的气球能提高科学载荷观测精度，并保护科学载荷的内部结构。

关于气球的制作及充气方面，目前已经公开的论文和专利有：

CN111186555 B公开了一种滑索增强结构超压气球设计方法，设计的超压气球包括：气球囊体、滑动绳索、囊体褶皱和连接法兰；滑动绳索两端与连接法兰相连并均匀纵向置于气球囊体上，囊体褶皱设置于气球囊体上，采用与囊体相对滑动形式的滑动绳索代替加强筋，可通过在囊体端部对绳索施加预紧力的方式控制球形变化，这种超压气球在升空后表面呈南瓜形，超压几百帕，在上升过程中体积基本不变；另外超压气球直径达几米甚至十几米，在上升过程中，垂直方向上外流场雷诺数很大，因此很容易发生水平方向上的振荡，不利于提高科学载荷观测精度，也不利于保护科学载荷的内部结构。

CN 2076706443 U公开了一种超压气球，超压气球主体由多个相互重叠且连接的两层球瓣及加强筋构成，它在不增加重量的前提下改善了超压气球的气密性和耐受能力，这种超压气球含有两层互相连接的球膜，且形状均为欧拉型；另外，这种超压气球在上升过程中，垂直方向上外流场雷诺数很大，因此也很容易发生水平方向上的振荡。

CN208180454 U公开了一种聚乙烯薄膜与浮空器，该聚乙烯薄膜包括三个依次叠加设置的聚乙烯层，且三个聚乙烯层的原料相同，这大大提高浮空器的耐压值，达到长航时、稳定高度的要求，这种聚乙烯薄膜浮空器使用了三层聚乙烯薄膜代替常规浮空器使用的单层薄膜。

CN101526630A公开了一种气象气球及其生产方法，就是将模型先浸渍凝固剂，然后浸到上述配合胶乳槽中，浸渍分钟后，提出，停放胶凝，浸渍到度热水中分钟，把胶膜从模型上脱下，胶膜洗涤干净，涂上隔离剂，充气到米直径后定型一小时，放气后整理硫化，得到包含成品气象气球的一批产品，这种气象气球仅包含一层乳胶球体，是目前被气象局普遍使用的一种气象气球，将浮升气体直接充入球囊中；这种气象气球升空后膨胀成表面光滑的正球形，这种气球由于表面光滑，在上升过程中极易产生水平方向的振荡，不能准确反映风向和风速，另外，水平方向的振荡载荷舱的结构危害很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可大大降低水平振荡幅度的高稳定性气象气球及其应用系统和方法。

本发明提供的这种高稳定性气象气球，包括充气后呈正球形的光面气球，套置于光面气球外的棘面气球，光面气球和棘面气球的材质均为透明橡胶材质，两者底部的球柄处设置有充气接头，充气接头设置有一个中心通道、两个关于中心通道对称的左、右通道；棘面气球外均布有与其内腔连通的充气囊体；中心通道作为光面气球的充气通道，左右通道中的一个作为棘面气球的充气通道，另一个作为其出气通道；光面气球的球柄从中心通道中穿过后连接充气管道，左、右通道中分别插入充气管道中，各充气管道上均连接有阀门，光面气球充气后为正球体，两气球充气后，光面气球的外壁与棘面气球的内壁贴合。

上述技术方案的一种实施方式中，所述棘面气球的内表面均布n个圆孔，每个圆孔处有往外伸出的所述充气囊体。

上述技术方案的一种实施方式中，所述充气接头为圆柱体，其外径大于所述棘面气球的球柄内径，其上三个通道的横截面形状均为圆形。

上述技术方案的一种实施方式中，所述光面气球和棘面气球的材质均为高性能聚乙烯薄膜。

本发明提供的这种具有上述高稳定性气象气球的系统，还包括轻质缆绳、轻质降落伞和荷载舱，轻质缆绳的上端同时系住两个气球的球柄、下端与轻质降落伞固连，荷载舱固连于轻质降落伞的下端。

本发发明提供的这种上述系统的充气方法，包括以下步骤：

(1)将光面气球的球柄从充气接头的中心通道中穿过后连接充气管道，同时将该充气管道上的阀门设置为关闭状态；

(2)将棘面气球的球柄以径向拉伸状态套于充气接头的外壁，避免球柄与充气接头之间有漏气的间隙；

(3)给充气接头的左、右通道连接充气接管，同时将两充气接管上的阀门分别设置为关闭和打开状态；

(4)往棘面气球内充气，直至棘面气球的充气囊体中充满氦气且其壁体无膨胀；

(5)保持步骤(4)的充气状态，打开棘面气球的出气通道，同时往光面气球中充气，直至观察到光面气球的外表面与棘面气球的内表面完全贴合，此时停止光面气球和棘面气球的充气，关闭棘面气球的出气，同时将充气接头从球柄处退出，用轻质缆绳将两气球的球柄系住，保证两气球内的氦气不溢出。

(6)在轻质缆绳的下端固连轻质降落伞，在轻质降落伞的下端通过轻质缆绳固连荷载舱。

本发明提供的这种利用上述系统的测风方法，包括以下步骤：

(1)将充气完成的系统牵引至指定地带放飞；

(2)用定位装置实时跟踪气象气球的位置，计算出风的轮廓线。

本发明提供的这种利用上述系统进行气象探测或者科学探测的方法，包括以下步骤：

(1)在荷载舱中内置天线采集数据；

(2)将充气完成的系统牵引至指定地带放飞；

(3)对内置天线传回的数据进行分析。

本发明的气象气球包括内外套置的光面气球和棘面气球，棘面气球的表面均布可充气的充气囊体，两气球充气后，光面气球的外壁与棘面气球的内壁贴合，且充气完成后，光面气球处于微量过压状态，使两气球形成稳定的整体。当具有双层结构的气象气球升到高空后，其内层气球和外层气球均处于超压状态，因此能维持其结构的刚度，具有高稳定性。当上升方向的迎面风吹到气象气球上时，充气囊体即可大幅减小气象气球在水平方向上的诱导振荡。另外，由于它表面粗糙，风阻相较于光滑球面的风阻更大，更能随风漂动。所以本气象气球能以较高精度反映风速。简言之，本发明气象气球的构型是首创的，其表面均匀分布的充气囊体在上升过程中的流场中，水平振荡幅度相对于光滑球很小，风阻相对于光滑球更大，这使得高稳定性气象气球能精确反映风的运动速度和方向，有利于测风，另外，能显著减小载荷舱的振荡幅度，保护载荷舱的内部结构，提高科学载荷的测量精度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的使用状态示意图。

图2为图1中气象气球的充气状态剖视示意图(未画充气接管及其上的阀门)。

图3为图2中充气接头的轴侧结构示意图。

具体实施方式

结合图1至图3可以看出，本实施例公开的高稳定性气象气球，包括光面气球1、棘面气球2和充气接头3。

本实施例的光面气球1在充气后为正球体，其底部有用于充气的球柄。

本实施例的棘面气球2在充气后基体21为正球形，基体外表面均布与其内腔连通的充气囊体22，基体底部有用于充气的球柄。

光面气球1和棘面气球2的直径接近，两者内外套置后在两者底部的球柄处设置充气接头3。

充气接头3为圆柱体，其上设置有中心通道和关于中心通孔对称的左、右通道，中心通道作为光面气球的充气通道，左右通道中的一个作为棘面气球的进气通道、另一个作为棘面气球的出气通道。

本实施例的光面气球和棘面气球的材质均采用高性能聚乙烯薄膜，其拉伸强度为9.4N/cm～16N/cm，当球体半径为1m时，其球体的理论破裂压差为470Pa～800Pa，而普通超压气球在海拔20km高空中的内外压差接近500Pa，因此这种气象气球最少能飞到海拔20km的高空，直径越大飞行高度将越高，符合一般气象气球的飞行高度。

本实施例光面气球的直径为2000mm，球柄长度为100mm。棘面气球的直径与光面气球的直径相等，球柄尺寸相同。棘面气球上均布398个充气囊体，充气囊体为开口朝向基体的抛物线形或者为内空的圆锥形，或者为内孔的圆台形等等。

光面气球和棘面气球内外套置后准备充气，充气步骤如下：

(1)将光面气球的球柄从充气接头的中心通道中穿过后连接充气管道，同时将该充气管道上的阀门设置有关闭状态；

(2)将棘面气球的球柄以径向拉伸状态套于充气接头的外壁，避免球柄与充气接头之间有漏气的间隙；

(3)给充气接头的左、右通道连接充气接管，同时将两充气接管上的阀门分别设置为关闭和打开状态；

(4)往棘面气球内充入氦气或者氢气，直至棘面气球的充气囊体中充满氦气且其壁体无膨胀，充气完成后充气囊体的凸起高度为80mm底部直径为100mm；

(5)保持步骤(4)的充气状态，打开棘面气球的出气通道，同时往光面气球中充入氦气或者氢气，使其囊体处于微过压状态(球内气压超过外界大气压10～30Pa，可用气压计从中间充气通道插入来测量过压值)的正球形，直至观察到光面气球的外表面与棘面气球的内表面完全贴合，此时停止光面气球和棘面气球的充气，关闭棘面气球的出气，同时将充气接头从球柄处退出，用轻质缆绳4将两气球的球柄系住绑牢，保证两气球内的氦气不溢出。

充气完成后，光面气球的囊体内、棘面气球的基体内及充气囊体中均充满氦气，且压力略超过标准大气压，仅能维持它们的形状不变。

在轻质缆绳4的下端固连轻质降落伞5，在轻质降落伞的下端通过轻质缆绳4固连荷载舱6组成系统，荷载舱的舱体也采用轻质材料制作，其内搭载科学荷载。即由本气象气球、轻质缆绳4、轻质降落伞5和荷载舱6组成系统就可用来测风或者气象探测或科学探测。

若系统用于测风，应用时将上述充气完成的系统牵引至指定的开放地带放飞，用雷达实时跟踪气球的位置，即可计算出风的轮廓线。

当系统用于其它气象探测或科学探测目的时，主要依靠载荷舱中的科学载荷来工作，并通过内置天线传回采集完的数据。

系统的气象气球升空后具有高稳定性的原理如下：

光面气球内的气压与棘面气球基体内及充气囊体内的气压十分接近，且两者为同种材料，所以光面气球与棘面气球表面的充气囊体会同步膨胀形成牢固的整体外型，因此充气囊体在遇到风速较大的时候也能发挥其减小水平振荡幅度的功能。

经过测试，本实施例2000mm直径的气象气球的升限大概在20km左右。直径更大的气象气球升限将会更大，且有效载荷重量会更大。

从本实施例的上述结构看出，其内层光面气球在高空中膨胀后能承受一定的超压，主要用于在高空中给棘面气球提供内在支撑力。

棘面气球的充气囊体均与其基体内腔连通，可在高空纵膨胀后承受一定的超压，且能与内层光面气球同步膨胀。本气象气球在空中上升过程中，其底下形成的涡流对球体的影响远小于相对于幕墙光滑表面气球的影响，所以本气象气球在高空中水平方向的振荡幅度远小于光滑表面的气球，提高荷载舱内科学载荷的观测精度，并保护科学载荷的内部结构。

系统的轻质降落伞可在本气象气球达到升限爆破后，携带荷载舱缓慢降落，以避免安全事故。

Claims (8)

1.一种高稳定性气象气球，包括充气后呈正球形的光面气球，其特征在于：它还包括套置于光面气球外的棘面气球，光面气球和棘面气球的材质均为透明橡胶材质，两者底部的球柄处设置有充气接头，充气接头设置有一个中心通道、两个关于中心通道对称的左、右通道；

棘面气球外均布有与其内腔连通的充气囊体；

中心通道作为光面气球的充气通道，左右通道中的一个作为棘面气球的充气通道，另一个作为其出气通道；

光面气球的球柄从中心通道中穿过后连接充气管道，左、右通道中分别插入充气管道中，各充气管道上均连接有阀门，光面气球充气后为正球体，两气球充气后，光面气球的外壁与棘面气球的内壁贴合。

2.如权利要求1所述的高稳定性气象气球，其特征在于：所述棘面气球的内表面均布n个圆孔，每个圆孔处有往外伸出的所述充气囊体。

3.如权利要求1所述的高稳定性气象气球，其特征在于：所述充气接头为圆柱体，其外径大于所述棘面气球的球柄内径，其上三个通道的横截面形状均为圆形。

4.如权利要求1所述的高稳定性气象气球，其特征在于：所述光面气球和棘面气球的材质均为高性能聚乙烯薄膜。

5.一种具有权利要求1所述高稳定性气象气球的系统，其特征在于：它还包括轻质缆绳、轻质降落伞和荷载舱，轻质缆绳的上端同时系住两个气球的球柄、下端与轻质降落伞固连，荷载舱固连于轻质降落伞的下端。

6.一种权利要求5所述系统的充气方法，包括以下步骤：

(1)将光面气球的球柄从充气接头的中心通道中穿过后连接充气管道，同时将该充气管道上的阀门设置为关闭状态；

(2)将棘面气球的球柄以径向拉伸状态套于充气接头的外壁，避免球柄与充气接头之间有漏气的间隙；

(3)给充气接头的左、右通道连接充气接管，同时将两充气接管上的阀门分别设置为关闭和打开状态；

(4)往棘面气球内充气，直至棘面气球的充气囊体中充满气且其壁体无膨胀；

(5)保持步骤(4)的充气状态，打开棘面气球的出气通道，同时往光面气球中充气，直至观察到光面气球的外表面与棘面气球的内表面完全贴合，此时停止光面气球和棘面气球的充气，关闭棘面气球的出气，同时将充气接头从球柄处退出，用轻质缆绳将两气球的球柄系住，保证两气球内的气体不溢出。

(6)在轻质缆绳的下端固连轻质降落伞，在轻质降落伞的下端通过轻质缆绳固连荷载舱。

7.一种利用权利要求6所述系统的测风方法，包括以下步骤：

(1)将充气完成的系统牵引至指定地带放飞；

(2)用定位装置实时跟踪气象气球的位置，计算出风的轮廓线。

8.一种利用权利要求6所述系统进行气象探测或者科学探测的方法，包括以下步骤：

(1)在荷载舱中内置天线采集数据；

(2)将充气完成的系统牵引至指定地带放飞；

(3)对内置天线传回的数据进行分析。

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