《气象仪器和观测方法指南》(第六版)第27章 气球技术

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—1000g）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℃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

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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：

)(523.0)(3g g D V T ρρρρ-=-= （27.1）

式中：T 表示总举力，V 表示气球体积，ρ表示空气密度，g ρ表示球内气体密度，D 表示气球直径，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（g ρρ-）约为1.2kgm -3，在公式（27.1）中的各个量都随高度不同而变化。

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 ，即：

W T L -= （27.2）

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：

3/1)

(W L qL V n

+= （27.3） 式中q 和n 取决于阻力系数，因而也就取决于雷诺数μρυ/D （μ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1×105和3×105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。

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气球的典型性能

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P 1，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：

110)075.007.1(L WP P L W P =+= （27.4） 式中W 为气球和仪器的重量，L 0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