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释放并收回一只飞上“太空”的气球

来源: 2017-11-02 11:14

        公园门口,小朋友买的氢气球不小心飞走了,你知道它会飞到哪里?在什么时候爆掉?又或者会掉到哪里去么?
        9月底,一则“中科院找气球”的消息刷爆了朋友圈,当时悬赏了四千元找气球。
中科院大气物理研究所官网显示,研究者9月25日在济南做观测,系留气球降到300米时出现较大风速,缆绳拉断,气球和仪器飞走,仪器涉及气体气溶胶采样、气象探空。
        系留气球会用缆绳拴在地上并可控制高度,这次是缆绳断了。气球飞走了怎样才能找到?很多探空设备会携带定位仪,能知道大致方位,方便人工寻找。利用开源技术,就可以成功释放并回收气球。
        你可能会说,这有什么难的?不就是放个氢气球,挂上摄像机在高空拍摄嘛?实际上并非这么简单,为了将携带的设备舱收回,整个过程还有点复杂。来看看“玩”这个气球,要涉及哪些科学吧?
        Step1:准备气球和气体
        首先气球是气象探空气球,以天然乳胶为主要原料,配合适量配合剂加工而成。和普通橡胶气球比,除了体积大,最大特点是膨胀率更高。气球在地面释放时的水平直径约1.5米,垂直高度约2米,在高空中的爆破直径达8-9米。越高的高空大气压越小,气球就越膨胀,如果气球膨胀率低,爆炸高度就会偏低,达不到“太空”效果。气象探空气球可以升到约30km,严格说并不算太空,但看起来已经很像了。气体则是高纯度工业氦气,属于惰性气体,不会爆炸,比氢气安全多了。
        Step2:准备好“眼睛”—摄像机
        主摄像机是Gopro,2012年奥地利人菲利克斯从39公里高空跳下,头顶就带着一台Gopro。Gopro有很好的防水壳套件,还可以加上吸潮片,防止穿越对流层时结雾。
        Step3:轨迹预测—感谢共享精神
        一些大学建立了轨迹预测模型,如剑桥大学太空飞行实验室的探空气球降落预测工具,能根据当时的气象资料估算飞行轨迹。
        Step4:跟踪/定位
        首先是无线电定位,APRS(Automatic Position Reporting System)是一种自动位置报告系统,通过GPS等方式获得当前坐标,然后调制成音频编码用144.64MHz业余无线电频率进行广播发射。接收设备再解调,将音频编码中的坐标信息还原,得到位置和轨迹。
此外还有“GPS跟踪器”,原理是用GSM手机通信网络将跟踪器中的GPS坐标通过短信形式发回指定手机。设备已经商品化,较可靠,但会比较依赖当地服务商网络情况。
        Step5:准备降落伞
        装置结构越简单越好,在最上端是气球,单根引线栓到降落伞顶端,降落伞引线拴在载荷舱上。降落伞大小根据公式计算得出,如果希望下降速度每秒4米,需要面积0.75平方米,直径不到1米。资料显示,伞兵降落伞下降最大速度小于7米/秒,无人机伞降回收速度也差不多,因此只要下降速度小于7米/秒,就能保证设备安全。下降速度快,飘落的也会近些。
        Step6:安全问题,地点选择
        安全的地点很重要,我国东部沿海地区人口稠密,气球掉到那里很危险,还可能被拣走。因此要选人少的偏西部地区,如西北隔壁、草原,避开机场与航线。
        要提示的是,据《中华人民共和国飞行基本规则》第二十七条:升放无人驾驶航空自由气球或者可能影响飞行安全的系留气球,须经有关飞行管制部门批准。
        具体规定可参看《通用航空飞行管制条例》第五章:升放和系留气球的规定。
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