《气象仪器和观测方法指南》第27章 气球技术.docx

第27 章 气球技术27.1 气球27.1.1 气球的主要类型气象探测使用的气球主要有两种：测风气球和探空气球a) 用于高空风观测的测风气球和用于云底高度观测的测云气球这些气球一般不携带载荷， 因而要比探空气球小得多气球几乎总可以保持可膨胀的球形除了能够达到所要求的高度外，它们 也能在升空过程中始终保持很好的球形的主要要求b) 用于携带常规高空探测仪器的气球，通常是可膨胀的球形气球，这种气球称为探空仪气球 或探空气球这些气球应有足够的尺寸和质量，以保证把所携带载荷(一般为200—lOOOg)以能确 保测量元件具有通风良好的升速，升至 30km 的高度为了用雷达测量高空风，是使用大测风气球(100g),还是使用探空气球，这要取决于所携带设备的重量和空载设备的阻力其它专门用途的气球在此不作介绍上升至并漂浮在预定高度的定高气球由非膨胀性材料制成 一个大的定高气球在施放时往往不能充满气体，而超压定高气球在施放时，充气至完全膨胀状态等 容气球是一个小型四面体形状的超压定高气球，用于轨道研究风廓线系留气球在第5 章中介绍27.1.2 气球的材料和特性高质量的天然橡胶胶乳和以氯丁橡胶为主的合成胶乳是可膨胀气球的最佳基本原料。

天然胶乳气 球的球型比氯丁橡胶的好，而且球皮更韧一些，可以做得比较薄，也能达到规定的要求受温度的影 响也要小一些，但在高空中易受臭氧和紫外线辐射的影响，而且保存期较短两种气球的原材料都搀 进一些添加剂，以提高气球的保存期、伸长率，减小在贮存和飞行期间受低温、臭氧和紫外线辐射的 影响在气球的生产过程中，加进一种抗静电剂，作为预防在充灌氢气时发生爆炸的方法之一生产可膨胀型气球主要有两种工艺：一种是把球模浸入胶乳中吸附乳胶，另一种是在空心的模子 内表面喷涂乳胶，形成气球用模子生产的气球球皮厚度较均匀，当它膨胀时可以达到所要求更高的 高度，而且球柄和球身连成一体，避免形成可能出现的薄弱点聚乙烯是生产定高气球的非膨胀材料27.1.3 气球的技术要求成品气球应不含有杂质、针孔或其它缺陷，球皮必须均匀厚薄一致气球按其型号的大小必须带 有直径为1—5cm、长度为10—20cm的球柄对探空气球来说，球柄还必须能承受200N的拉力而不 致损坏为了减小球柄被扯断的可能性，重要的是要使球皮的厚度向球柄方向逐渐增加，厚度突然变 薄的地方就是容易出问题之处气球是以它的标称重量进行分类的，以克(g)为单位各种气球实际重量与标称重量的误差不 应超过10%，最好在5%以内。

气球应该能膨胀到未膨胀状态的4倍以上，最好达到5倍、 6倍，而 且保持这种膨胀状态至少达一小时气球充气后应呈球形或梨形气球贮存寿命很重要，尤其在热带地区为此进行过人工老化试验，但还不能把这些试验作为可 靠的指南有一种老化试验，把气球样品在80°C的烘箱内搁置4天，这可以看作大约在热带地区贮 存了4年，此时气球仍能满足其最低膨胀的要求要小心地对气球进行包装，避免暴露在光线(尤其是太阳光)、空气或极端温度下，以防止气球性能迅速恶化在合成胶乳气球的生产中加进了柔软剂，使气球在对流层顶遇到低温时球皮不会冻结变硬有些 厂家生产可供白天和夜间选择使用的两种气球，它们的差异就是柔软剂添加量不同27.2 气球的性能27.2.1 升速根据浮力原理，气球的总举力由气球内气体体积的浮力决定，即：T = V(p-p ) = 0.523D3(p-p ) (27.1)gg式中：T表示总举力，V表示气球体积，P表示空气密度，P表示球内气体密度，D表示气球直径，g 假定气球为球形所有单位均采用国际标准单位对地面上的氢气，浮力(P- P )约为1.2kgm-3,在公式(27.1)g 中的各个量都随高度不同而变化即：(27.2)气球的净举力L是由总举力减去气球重量和载荷重量(如果有的话)的总和W,L 二 T - W此即，如果气球的净浮力和气球的附加物重量相同时，气球既不上升也不下沉。

根据动力学相似性原理，气球在静空中的升速V可以由一个通用公式表示：27.3)V二 巴_(L + W )1/3式中q和n取决于阻力系数，因而也就取决于雷诺数U P D/卩(卩为空气的粘滞系数)遗憾的是， 许多气球在某些飞行阶段，雷诺数在1X105和3X105的临界区内，相应的阻力系数产生迅速变化， 而且气球可能不是真正的球型，所以使用一个简单的公式来表示不同尺寸、不同净举力的气球是不切 合实际的上述公式中q和n的值必须通过实验得出如果升速以m min-1为单位，q和n分别可以 近似地取值150和0.5其它因子如空气密度的变化和气球漏气也会影响气球的升速，并随高度增加 而引起显著变化在降水和积冰的条件下进行探空时，可以根据天气条件的不同，需要增加最多达75%左右的气球 净举力除了小雨的天气外，任何降水天气都不能使用假定升速在探空时，往往并不需要了解准确 的升速，但进行测风、云幕球观测时就不同，因没有其它方法确定高度升速在很大程度上取决于气 球的净举力和作用于气球及其载体上的空气阻力阻力显得更为重要，尤其是对那些非球状气球来说 更是如此最高高度主要取决于总举力和气球的尺寸与质量27.2.2 气球性能下表列出了各种尺寸气球的典型性能数值，它们是很粗略的。

如果要精确了解一个气球及载荷的 性能必须通过研究、分析实际飞行状况才能获得当总举力增加时，气球能够携带的载荷要比表中 所列的高这一点可以通过增加充灌氢气加大气球体积来实现，但会影响升速和球炸高度气球的典型性能重量（g）1030100200350600100015003000施放时直径（cm）305090120130140160180210载荷重量（g）00025025025025010001000净举力（g）560300500600900110013001700升速（m min-）60150250300300300300300300球炸高度（km）121320212631343438气球的选择取决于所携带的载荷（如果有的话）重量、升速和探测高度，如果用于目测跟踪，还 要选择气球的颜色气球升速一般选择在300—400m min-1,这样既能保证探测时间最短，同时又能 确保探空仪传感器具有良好的通风在气温非常低时施放气球往往升达的高度比较低，此时应记住选 定适用的气球按照使用气球的一般规则，要确定好净举力，使气球达到最佳球炸高度例如，已经发现减少对 中等尺寸气球的灌气，使气球平均升速从390m min-1降到310m min-1时，平均球炸高度可以增加2km。

经过反复试验，证实了这个规律在晴朗的白天进行目测时，使用无色气球较为便利，在多云天气则要使用黑色气球 气球爆破前经受的最大线性拉伸是气球性能最恰当的衡量，气球的这种拉伸度可以较为方便地用 爆破时直径（周长）与气球未伸张时的原始直径（周长）之比来表示不过气球在实际飞行中的性能 与地面的爆破试验所测出的性能仍存在一定的差异灌气时不规范操作和大风天施放气球都会影响气 球的性能在飞行中，低温降低球皮弹性，氧、臭氧和紫外线辐射的化学作用以及生产中的缺陷，如 针孔、疵点之类均会影响气球的膨胀性能一个令人满意的气球在实际探测中至少应膨胀4倍在地 面施放状态，球皮的厚度一般应在0.1—0.2mm范围内由于橡胶的张力，在上升过程中，气球内总有少量几个百帕的余压片，这就给所能达到的外压设 定了一个限度假定气球内外的温度一致，则气球的限度外压P可由下式求出：1.07W WPP =（——+ 0.075） P = ―（27.4）L 1 L00式中W为气球和仪器的重量，L0为地面时的净举力，均以克为单位如果气球能达到气压P所对应 的高度，那么它将漂浮在这个高度上27.3 气球的处理27.3.1 贮存要使探空仪气球经过数月存放后仍能保持最好的性能，正确的贮存是十分重要的。

气球数量应限 制在最低业务需求量，分批提货要比一次购进大批量造成长期存放更为可取为了避免使用贮存期过 长的气球，应按照生产日期的顺序安排使用只要提供经过精心选择的贮存条件，气球一般在出厂出 18 个月内都能保持最佳性能许多厂家 都为他们的产品编印了使用说明，应当认真地遵守以下的常规性说明，适用于大多数型号的探空仪 气球气球应贮存在避免阳光直射的地方，如有可能，尽量放在阴暗处任何时候都不能靠近热源和臭 氧源无论是天然橡胶还是氯丁橡胶制成的气球，如果暴露在大功率发电机或电动机工作时产生的臭 氧环境中，都有可能受到损害所有的气球都应保持原始封装状态，直至施放前的准备务必注意不 能让气球接触油类或能渗透包装材料、损害气球的任何物质有可能的话，气球应当贮存在15—25°C的室内有些厂商对这点有具体说明这样的要求应当 始终遵守27.3.2 适应环境 天然橡胶制成的气球在施放前不需要进行特别的热处理，因为在人们居住的室温下，天然橡胶不会发生冻固化不过对于那些长期存放在10C以下环境的气球，施放前几周就应放置在室温下氯丁橡胶气球在温度低于10C的条件下长期存放时，弹性受到一部分损失对这种气球的处理 可以使损失的弹性在灌气前得以恢复到最佳状态。

要遵从厂家的建议，通常的办法是，在灌气前把气 球放在加热的保温箱内放置几天，维持适当的温度和湿度，或者放入热水槽进行加温在极地站，极端低温期间，使用的气球要经过特殊处理，以使其维持强度和弹性27.3.3 灌球如果不使用放球器，则最好在一间与其它建筑隔离的专用房间里进行灌球，而且通风条件要好 如果使用氢气，室内不能有任何火花源所有电源开关均要使用防爆开关其它详细要求见27.6节 如果使用氦气，天气寒冷时，可以采取室内增温措施室内的墙、门、地面要光滑整洁，保持无尘土、 沙粒灌球时，操作者要穿防护服操作者不要停留在已灌有氢气气球的封闭房间内灌气设施要能控 制如果灌气房门关着，操作者应能在屋外观察到气球的灌气状态；操作者在气球室内充气时，房门 应打开灌气要缓慢地进行，因为突然的膨胀可能导致球皮出现薄点最好用一个细调阀门来调节气流保 持均匀的流量所需的灌气量（净举力）可以由所需重量的充气嘴来确定，也可以由一个能称出气球 升力的平衡臂确定除非想要考虑气球的重量变化，平衡臂使用不太方便，而且日常观测业务中几乎 无此必要为称重式充气嘴配上一个适用的阀门很有用处，有些部门采用达到所需升力时能自动地关 闭的阀门。

27.3.4 施放 在施放准备妥当前，气球应放置在防护棚内应当避免阳光照射过久，以免引起气球材质的急剧 恶化，甚至尚未施放就爆破在人工施放时应穿防护服在小风中施放探空仪气球时，不会遇到特别困难在气球施放前务必始终注意避免气球和仪器碰 到探空站附近的树林和建筑物施放中的这类问题很大程度上是通过对施放区精心规划来避免的在 选择施放场地时，那些有可能影响气球施放的障碍物应力求最少在选择站址和设计探空站建筑物时， 应考虑盛行风和阵风对施放场地的影响，在寒冷气候地区，还要考虑低吹雪以吊绳或退绕机之类方式在大风条件下施放气球时，仪器与气球的悬挂距离尽可能短一些可以 使用一种简便的施放装置，这种装置由一个卷筒和一个心轴组成，卷筒用以卷绕吊绳，心轴则用以加 装气闸或擒纵机关，使吊绳在气球施放后缓慢地退绕机械式放球装置有着极大的优点，可在灌气和施放时，使操作员与气球分离，从而确保操作员安。