《气象仪器和观测方法指南》(第六版)第27章气球技术

49027章气球技术气球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。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。除了能够到达所要求的高度外，它们也能在升空过程中始终保持很好的球形的主要要求。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〔100，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。其它特地用途的气球在此不作介绍。上升至并漂移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布满气体，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周体外形的超压定高气球，用于轨道争论。风廓线系留气球在第5章中介绍。气球的材料和特性高质量的自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正确根本原料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，也能到达规定的要求。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。内外表喷涂乳胶，形成气球。用模子生产的气球球皮厚度较均匀，当它膨胀时可以到达所要求更高的高度，而且球柄和球身连成一体，避开形成可能消灭的薄弱点。聚乙烯是生产定高气球的非膨胀材料。气球的技术要求1—5cm、长度为10—20cm的球柄。对探空气球来说，球柄还必需能承受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渐渐增加，厚度突然变薄的地方就是简洁出问题之处。气球是以它的标称重量进展分类的，以克〔g〕为单位。各种气球实际重量与标称重量的误差不10%5%45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。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。要留神地对气球进展包装，避开暴露在光线〔尤其是太阳光、空气或极端温度下，以防止气球性能快速恶化。厂家生产可供白天和夜间选择使用的两种气球，它们的差异就是松软剂添加量不同。气球的性能升速依据浮力原理，气球的总举力由气球内气体体积的浮力打算，即：TV()0.523D3() 〔27.1〕g g式中：T表示总举力，V表示气球体积，表示空气密度， 表示球内气体密度，D表示气球直径，g假定气球为球形。〔〕1.2kgm-3〔27.1〕g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〔假设有的话〕的总和W，即：LTW 〔27.2〕此即，假设气球的净浮力和气球的附加物重量一样时，气球既不上升也不下沉。依据动力学相像性原理，气球在静空中的升速V可以由一个通用公式表示：qLnV 〔27.3〕(L W)1/3qn取决于阻力系数，因而也就取决于雷诺数D/〔为空气的粘滞系数。圆满的是，1×105和3×105的临界区内，相应的阻力系数产生快速变化，合实际的。上述公式中qn的值必需通过试验得出。假设升速以mmin-1为单位，qn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。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，但进展测风、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是如此。最高高度主要取决于总举力和气球的尺寸与质量。气球性能性能。必需通过争论、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〔g〕1030100200350600100015003000〔cm〕305090120130140160180210〔g〕00025025025025010001000〔g〕56030050060090011001300170060150250300300300300300300〔km〕121320212631343438气球的选择取决于所携带的载荷〔假设有的话〕重量、升速和探测高度，假设用于目测跟踪，还300—400mmin-1，这样既能保证探测时间最短，同时又能定适用的气球。依据使用气球的一般规章，要确定好净举力，使气球到达最正确球炸高度。例如，已经觉察削减对390mmin-1310mmin-12km。经过反复试验，证明白这个规律。在晴朗的白天进展目测时，使用无色气球较为便利，在多云天气则要使用黑色气球。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。一个令人满足的气球在实际探测中至少应膨胀4倍。在地0.1—0.2mm范围内。P1定了一个限度。假定气球内外的温度全都，则气球的限度外压P可由下式求出：1.07W WPP( L0

0.075)P1

L1 〔27.4〕0W为气球和仪器的重量，L0

为地面时的净举力，均以克为单位。假设气球能到达气压P所对应的高度，那么它将漂移在这个高度上。气球的处理贮存长的气球，应依据生产日期的挨次安排使用。18个月内都能保持最正确性能。很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。氧环境中，都有可能受到损害。全部的气球都应保持原始封装状态，直至施放前的预备。务必留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℃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。适应环境会发生冻固化。不过对于那些长期存放在10℃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10℃的条件下长期存放时，弹性受到一局部损失。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正确状态。要遵从厂家的建议，通常的方法是，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，或者放入热水槽进展加温。在极地站，极端低温期间，使用的气球要经过特别处理，以使其维持强度和弹性。灌球假设不使用放球器，则最好在一间与其它建筑隔离的专用房间里进展灌球，而且通风条件要好。假设使用氢气，室内不能有任何火花源。全部电源开关均要使用防爆开关。其它具体要求见27.6节。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。灌气设施要能把握。假设灌气房门关着，操作者应能在屋外观看到气球的灌气状态；操作者在气球室内充气时，房门应翻开。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，平衡臂使用不太便利，而且日常观测业务中几乎闭的阀门。施放恶化，甚至尚未施放就爆破。在人工施放时应穿防护服。应考虑盛行风和阵风对施放场地的影响，在严寒气候地区，还要考虑低吹雪。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，使操作员与气球分别，从而确保操作员安全。该装置甚至可以不需要操作员在场。当风速超过20ms-1时，自动放球装置就失效了。气球施放前应为探空仪传感器供给足够的通风，其构造应能防火、防爆。气球升空携带物夜间放球用的照明灯测风气球在夜间施放升空时，一般使用小电池和灯泡作为光源。通常使用2节1.5V的干电池或浸水活化电池和一个2.5V、0.3A的灯泡，也可以使用化学荧光光源装置，不过对高度较高的探测，2—3W的光源，并协作使用简洁的反射器。当使用照明装置时，假设要保持升速不变，理论上要稍许增加净举力。也就是说，总举力的增加量必需大于附加携带重量〔见公式〔27.3〕。然而，在实际中由于附加载荷有可能改善气球的空气动力外形和气球的稳定性，需要增加的总举力实际上或许低于计算值。过去在夜间放球时，曾在气球下面约2m处悬挂一个半透亮的蜡烛纸灯笼。然而，蜡烛悬挂在气球四周存在瞬间燃烧或爆炸的危急。当灯笼回落地面时，也存在引发森林或其它建筑物燃烧的危急。因此，不主见使用蜡烛。降落伞5ms-1。2kg2m3m的好把各条伞绳先拴到一个直径约40cm、重量很轻的木质或塑料或金属制的圆环上，此圆环应刚好在各伞绳汇结点的上面。助把各条伞绳隔开。伞绳及各附件，必需能经受得住降落伞的张开。假设使用了一个轻型探空仪〔轻于250，则雷达反射器即可在降落时供给足够的阻力。灌球用的气体概述危急。不过，氦气主要只限于很少几个有丰富自然资源的国家使用，用得更普遍的还是氢气。氦气在1013hPa15〔总举力1.115kgm-31.203kgm-3，而商用氢气的浮力比此略低一些。应当留意的是，依据海事保险方面的一般规定，现在已不再允许在船上使用氢气。在这种状况，资和额外保险费。的方法。但在难于供给钢筒或这方面费用过高的地方，在站上使用制氢设备〔见27.5.3节〕制氢应当不会存在很大的困难。气筒一般使用加压18MP〔热带地区为10MP、可贮气体63的钢气筒最便利。但在类似于探空站使操作人员的工作量最小。为了避开和其它气体混淆，氢气筒应涂以醒目的颜色〔很多国家使用的是红色，其排气阀门应使用左旋螺纹，以区分于非可燃气体气筒。气筒上应带有阀门保护罩，以便在搬运过程中保护阀门。每隔2—5钢筒能承受的测试内压至少应高于正常工作压强的50%免阳光直接照耀。把氢气筒存放在通风良好的棚内是一种可取的方法，氢气筒存放在这样的棚内，氢气的任何泄漏都可以很快向棚外逸散。氢气发生器硅铁和苛性钠加水；铝和苛性钠加水；氢化钙和水；镁铁粉和水；液氨以热铂作触媒；甲醇、水以热触煤；水的电解，严格遵守。这些化学物质需要特别运输、贮存和处理，而且很多物质的废料具有腐蚀性，假设不能谨慎地把握其反响，它们将产生过量的热量和压强。甲醇作为一种有毒酒精，假设被滥用者当成一般物质饮吸，会致人死亡。特别是对普遍使用的苛性钠，要格外留神。操作人员要有适当保护，尤其要保为防范万一，应常备有醋之类的中和剂。有些化学方法在高压下工作，出事故的危急性也相应增加。高压型发生器应每两年检测一次，测试压强至少应是工作压强的两倍。发生器上应备有泄放超震颤的安全装置。一般是使用保险片，其所用材料、尺寸、外形和更换频数，应严格依据使用说明书中的规定，这一点格外重要。即使安全装置很有效，操作中仍极易伴有热溶液溅出的危急。高压型氢气发生器在重装料前，必需把上次使用时极限。使用氢化钙和镁铁粉的优点是，可以避开使用苛性钠。但圆满的是，它们的生产费用昂贵，只在特别状况下才有可能承受。由于这两种材料都是用水制氢的，所以必需贮存在完全防潮的容器内。在使用触媒制氢的过程中，必需留神防止触媒受污染。方法〔特别是电解水制氢法〕生产的氢气产量低，必需在灌球前预先生产并储存，加压或储存在气柜中。〔加水经济，而且所用制氢材料又无腐蚀性。这两种方法需要消耗较多的电力，设备简洁，必需细心维护，每天都要检查各道工序，以确保安全把握系统能有效地工作。电解水制氢的水必需是低矿物质含量。氢气事故预防措施概述虽然氢气事故只是间或发生，但制氢是有危急的。氢气很简洁被一小火花点着，引起内燃。当氢气与空气体积混合比例为4%—74%时，混合气体会燃烧；当混合比例到达18%—59%时，混合气体会爆炸。不管燃烧还是爆炸，都会使四周的操作人员暴露部位的皮肤受到严峻烧伤。消灭爆炸时，操作人员还可能被猛击到墙体或地上而严峻受伤。设计，但制造和存放氢气的房舍或充灌、施放气球场所的安全防护措施却并非总能得到充分的重视。所以要常常监视和观看，以确保操作者按规程操作。自动放球器〔见27.3.4节〕的最大优点是，可以把操作者和氢气完全分别，从而削减操作者受损害的程度。乎一样。关于应当遵循的预防措施的其它资料，可以在相关的出版物中找到。操作者确定不行与已充氢气的气球同处于一密闭的房间内。建筑物的设计和布局防措施。氢气的积聚是必需避开的，即使在灌气过程中气球在棚内爆裂也要避开氢气积聚。安全房舍应当成为涉氢建筑物构造设计的组成局部。气候条件、国家标准和法规是制约条件。在片的使用等。行政部门的指导，特别要争取在以下方面的指导：制氢系统的适宜安装位置；拟用材料的耐火性：建筑材料必需满足耐火额定值；通风要求，包括轻型构造的房顶以确保氢气和爆炸物能从房顶排出；适用的电器设备的布线要求；防火设备〔灭火器材及报警装置；操作者在充气室外对气球充灌的把握。应实行措施，使产生电火花的可能性减到最低限度。因此，任何电气系统〔开头、灯具、电线〕的方法适当布线。一般认为，最好还是用室外光源通过窗户照耀到室内。依据同样的理由，在室内使避雷设备。器进展监控，例如，当氢气浓度到达最低爆炸浓度20%时，切断氢气发生器的电源，并发出警报，然40%时，发出另一个警报。在制氢、贮氢和气球区应划定一个危急区，只有穿上安全服的人方可进入。自动放球器〔见27.3.4节〕可以免去特地的充灌房，从而大大简化了涉氢设备的设计。静电荷性大大降低。制氢设备和灌气室内各种装置上的静电荷，可用妥当接地的方法消退。观测员衣服上的静电荷，可用静电放电夹驱除。的绝缘材料分别时就会产生静电荷。轻轻地碰一下操作员的衣服就会产生20kV的电荷。假设一个有效的火花放电，就足够能引燃氢气和空气的混合气。电荷从球体导入