測風氣球

測風氣球是測定高空風向風速的一種充滿氫氣的氣球。從地面施放後，一面上升，一面在水平方向上隨風飄行。與此同時用測風經緯儀不斷跟蹤觀測，並記下它每分鐘的仰角和方位角，然後經過計算求出氣球經過的空中各層的平均風向和風速。

基本介紹

• 中文名：測風氣球
• 外文名：pilot balloon

定義

測風氣球是測定高空風向風速的一種充滿氫氣的氣球，升速有100米/分或200米/分的。從地面施放後，一面上升，一面在水平方向上隨風飄行。與此同時用測風經緯儀不斷跟蹤觀測，並記下它每分鐘的仰角和方位角，然後經過計算求出氣球經過的空中各層的平均風向和風速。

基本原理

充滿氫氣的測風氣球，空中受到兩個力的作用：向上的浮力和向下的重力。二者之差即為氣球的淨舉力。由於氣球球皮較薄，充氣之後造成球內外的壓力差可忽略不計，且壓力差在氣球爆破之前基本保持不變；此外，氣球內氣體質量很小，可認為球內外溫度很快即達到相同，即氣球上升過程中內外溫度基本相等。氣體密度的變化決定於壓力和溫度的變化，而氣球上升過程中壓力和溫度的同步變化，說明了氣球內外氣體的密度也同步變化。因此，氣球上升過程中所受浮力和重力的差值保持不變，即淨舉力恆定為常量。

氣球上升運動過程中，還會受到空氣阻力的作用。空氣阻力方向與淨舉力相反，大小與氣球升速的平方成反比。氣球由於淨舉力作用加速上升，上升過程中空氣阻力隨氣球升速的增大而增大，且增大幅度比升速大；當空氣阻力增大到和氣球淨舉力相等時，氣球只做等速上升。

氣球等速上升過程中，以某時刻為初始時刻，每分鐘記錄一次氣球的經緯度和高度，則可計算得出各高度層中的風速風向。

測風氣球的發展

國外測風氣球的發展

人類利用橡膠氣球進行氣象觀測的歷史可追溯到20世紀初。1902年德國氣象學家阿斯曼第一個提出用橡膠氣球來探測大氣，並用經緯儀跟蹤的測風方法。1927年蘇聯在氣象學家莫爾恰諾夫教授領導下研究出自由大氣研究的新方法—無線電探空儀法，並成功設計製造梳齒式無線電探空儀，開創了氣象探測的新紀元，促進了橡膠膠乳氣球的快速發展。近幾十年來又出現了用雷達對自由飛行的氣球定位測出高空的風向、風速和用氣球攜帶各種無線電探測器測定高空各高度上的溫度、濕度和氣壓等氣象要素的雷達探測法，使膠乳氣球的發展更上一層樓目前世界各國都先後套用和發展了氣象用膠乳氣球系列，既有低空用測風、測雲氣球，又有高空用探空氣球。

放飛測風氣球

氣象用膠乳氣球，由於具有投資少，見效快，成本低，相對載重大，施放簡便，飛行時間較長，攜帶儀器姿態穩定，測得數據資料較快、精度高，周期短以及有較大的靈活性，施放不受地域和氣候因素影響等優點，在許多氣象、航空和空間科學技術較發達的國家裡，仍然把膠乳氣球作為研究大氣、發展氣象、航空、宇宙飛行技術和進行空間科學研究的重要而不可缺少的運載工具美國、日本等國家從未停止過對膠乳氣象氣球的研究、生產和套用工作一幾十年來.從氣球生產用原材料.配方、球體結構、製造工藝、生產設備和規格型號系列化等方面經歷了較大的變革，有了很大的發展。

我國測風氣球的發展

我國膠乳氣球的研製和生產己有50年歷史了。在黨和各級政府的關懷下，根據我國國防、氣象、航空和利一研事業的發展需要，自1955年北京橡膠研究院利用國產天然膠乳為主體原料，採用離子沉積法成功研製測雲測風氣象氣球之後，在廣州建立了我國第一家膠乳氣球生產廠家—第十一橡膠廠。1956年開始生產10#,20#,30#,50#測雲測風用天然膠乳氣球，1957年該廠開始生產80#,120#天然膠乳探空氣球，1964年又生產出200#天然膠乳探空氣球。為了加強對膠乳氣球的研究和開發其他膠乳製品等，1965年，在雲南昆明近郊組建了化工部乳膠工業研究所，該所在1965年初利用國產氯丁膠乳研製出氯丁膠乳氣球;1970年該所開始大量生產10#,20#,30#測雲測風天然膠乳氣球，以及80#,120#,200#天然膠乳探空氣球。為滿足國防利一研的需要，1974年，該所成功研製出升空高度達30000m的1500g天然膠乳探空氣球;1975年又成功研製了75型雷達校準用氣球;1976年研製了升速達600m/min、升空高度達30000m的高空快升速組合型氣球;後來又成功研製了950g,750g,500g,400g,300g,1200g天然膠乳探空氣球，基本完成了天然膠乳氣象氣球的系列化研究。1972年前後，北京乳膠廠也開始生產10#,20#,30#天然膠乳測雲測風氣球和少量的80#天然乳膠探空氣球至此，我國在膠乳氣球生產規模方面，由過去一個廠發展到兩個廠和一個所;在氣球製造工藝方面，不僅採用離子沉積法生產，還研究過熱敏化膠乳注模迴轉成型法;在品種方面，不僅能生產各種天然乳膠氣球，還研製了120#氯丁膠氣球;在天然乳膠氣球生產方面，不但研製生產了各種系列的氣象氣球.還能生產各種規格的節日氣球、平移氣球、75型雷達校準用氣球和快升速氣球;在氣球產量方面，從最早完全依靠進口，發展到自給有餘，還可以部分出口;在質量方面，隨著氣球生產技術的進步，產品質量不斷提高，1200g,950g,750g,400g,300g和200g天然膠乳探空氣球的升空性能達到了美國、日本、德國同規格、同類型氣球的水平;120#氯丁膠乳探空氣球的升空高度達到了前蘇聯同類型、同規格氣球的水平; 75型雷達校準用氣球，其結構合理，同心度高，使用性能優於美國同類產品水平;升空高度30000m，升速達600m/min組合型氣球，其升空性能也可以與美國ML-566型快升速氣球媲美。

測風氣球發展趨勢

國外在發展探空氣球系列化的同時，首先注意解決的問題是提高氣球升空高度。提高氣球升空高度的研究主要從兩個方面進行:一是加強氣球配方的改進研究，二是研製生產大規格的優質氣球。研製生產使用大規格的氣球實踐證明，氣球原始直徑的增加，不僅使氣球升空高度提高，而且使氣球達到要求高度的可靠性也大大增加，因而各國都在發展大規格氣球，美國最大規格的氣球為7000;，日本從1977年開始研究升空高度為40km的大規格氣球。

隨著大規格高質量氣球的發展，氣球探空高度不斷地提高，導致探測時間過長，當超過標準電池的壽命時，造成探測中斷或因為氣球隨風漂移太遠而致使所獲得的氣象資料不是該探測站上空大氣的特性數據。在這種情況下，國外在膠乳氣球的發展中十分重視氣球升速提高的問題，特別是美國，從50年代初期就著手進行這方面的研究工作，幾十年來.他們從快升速氣球用的原材料、配方.球體外形結構的設計，製造工藝、裝配技術等方面作了大量的工作，為了儘量減小氣球升空阻力，提高升空速度和飛行穩定性，美國快升速氣球在外形結構上，經歷過了由簡單到複雜又到簡單，即由圓形氣球到流線形氣球、組合氣球又回到圓形氣球的發展過程，使快升速氣球的升空高度和速度達到了較高的水平;前蘇聯也研發了100;氣球和3000;氣球組成的母子球，升空高度達36000m，其中升空高度達30000m的有效率為90%

隨著電子技術、計算機技術和遙感技術的高速發展，探測儀器向重量輕、靈敏度高、體積小的方向發展，由於體積減小、重量輕，其升空阻力相應減少，在保證升速條件下，氣球的充氫量相應減少，氣球升空高度得到提高，使探測時間延長，探測經費增加。這對某些部門或某些探測項目來說是沒有必要的，甚至是浪費的;另一方面，在保證一定升空高度的條件下，充氫量相應增加，從而造成其升速過快，這樣就帶來了新的問題，如儀器滯後造成較大的誤差等;另一個特別需要重視的問題是注意提高氣球質量和升級換代，如日本托泰克斯公司的天然膠乳氣球在幾十年中升級換代三次，由TA-40型發展到TC-63型又發展到TA型，由過去純天然膠乳製造發展到現在並用氯丁膠乳製造。

測風氣球主要原材料

國外對氣球配方的研究是以提高氣球升空高度、升空速度和達到預定升空高度的可靠性為目的，基本上圍繞著以提高膠膜的耐寒性、耐臭氧、耐光老化性能以及提高膠膜伸長率為中心而進行的。

在氣球配方中採用的膠乳:二次世界大戰前，各國都是採用天然膠乳;二次世界大戰後，主要是用天然膠乳和氯丁膠乳兩種。當前，世界上生產氣球用膠乳，雖然處於天然膠乳和氯丁膠乳並存競爭的局面，但是隨著石油化學工業的高速發展，合成膠乳加工技術的進步以及對探測高度要求的提高，其總的發展趨勢是向氯丁膠乳方向發展。美、日、蘇、德幾國是世界上生產膠乳氣球最多的國家。美國自1941年起就開始使用氯丁膠乳生產氣球，雖然還使用天然膠乳生產某些氣球，但主要以氯丁膠乳生產為主;前蘇聯自1946年起用合成膠乳製造氣球，至今已全部用氯丁膠乳代替天然膠乳生產氣象氣球;日本自1920年開始一直以生產優質天然膠乳氣球著稱，但從1965年開始也生產CR-66型氯丁膠乳氣球，從近幾年資料看，日本Totex公司現已不再向世界提供純天然膠乳氣球，而是大量提供天然膠乳與合成膠乳並用的TA型氣象氣球和CR型氯丁膠乳氣象氣球;在西德，雖然以採用天然膠乳為主，但也已經開始使用氯丁膠乳生產。

測風氣球生產

生產過程

目前，國內外生產氣象氣球的方法主要有兩種，一種是浸漬法，一種叫熱敏法。通過其中一種方法將乳膠生成球膜之後，然後把凝結在模具上的球皮經浸漬脫模、清洗、定型、硫化等工序後，才能成為有一定規格尺寸和合乎性能要求的成品。球柄是另外連線上去的。用熱敏法生產的氣球，用料省、成本低、球皮均勻、球柄細，有利於保證氣球質量，更便於使用。

在生產氣球過程中的每一道工序，對氣球的質量都有一定影響，如在天然膠乳中加入不同的防老劑、耐寒劑、紫外線吸收劑等原料，都能使氣球具有不同的性能。一個好的“配方”，能使氣球球皮耐老化、耐低溫、伸長率高，氣球的施放高度就必然較高。

在對脫模後的球皮進行“清洗”時，若清洗不淨，凝固劑中的氯化鈣較多地殘留在球皮上，將會明顯縮短氣球的貯存時間。特別是在炎熱潮濕的南方，由於氯化鈣本身易吸潮，球皮受潮變色，發粘，其扯斷力、伸長率等物理機械性能降低，這樣的氣球，施放高度必然不高。

“定型”，顧名思義，是確定氣球形狀、大小的一道重要工序，即通過壓縮機將空氣充入濕球內，使其達到規定的尺寸，然後，在溫暖、通風、陽光不能直射的室內，使其自然乾燥，在乾燥過程中，必須經常進行翻轉，否則，將造成氣球球皮接觸地面的部位與其他部位厚薄不均，從而影響產品的質量。

“硫化”，是將定型後合乎要求的氣球放入高溫密封的硫化罐內，在一定的溫度和時間的條件下，使氣球球皮具有彈性，達到要求的物理機械性能指標。

為了保證產品質量，在氣球出廠前，還逐個地檢查氣球的尺寸和重量、長度、厚度、球形、氣泡、薄點、油點、銹點等，並抽查氣球的物理機械性能，這些都為提高氣球施放高度創造了十分有利的條件。

浸漬法

浸漬法即將浸有凝固劑的楊桃形模具浸入經配方後的膠乳中，經過一定的時間，從膠乳槽中提出，膠乳即凝固在模具上，形成球膜。

浸漬法的特點是:

①浸漬和膠乳成膜過程都是在膠槽內進行的，每當制球結束，膠槽內總會剩餘幾乎整個膠槽的膠乳；

②粘附在球膜表面上的凝固劑的質量、厚度、均勻度以及球模停留於膠乳的時間決定了膠膜的質量、厚度及均勻度，實際操作中很難將每次浸漬或每個球模上的凝固劑和膠膜的質量、厚度及均勻度的差別控制在較小的範圍內；

③球膜成形於模型外表面上，脫膜工序限制了球膜球柄的直徑及長度。即球柄直徑大、長度短，脫膜就容易，相反，則脫模困難，易造成撕裂或產生柄變④浸漬過程中，模型存在著先進後出的時間差，球模越長，這種時間差就越大，先進後出的球模部位其外表面上的膠膜厚度就較厚；

⑤膠乳浸漬過程中，膠乳粒子會沿浸漬方向呈平行排列，因此，膠膜結構存在顯著的取向性。

由於浸漬法固有的特點，採用該法生產氣球就存在下列缺陷:

①生產過程余膠多，這樣勢必增大了氣球的製作成本，特別是生產大規格、小批量的氣球時，該缺陷更是尤為突出；

②同規格球質量差異大；

③球壁厚度不均勻，其最厚、最簿厚度差竟高達0.5 mm以上；

④球柄直徑大且長度短，因此在施放操作時很不方便；

⑤氣球伸張性能存在明顯的縱橫向差異，而且數值較低；

⑥球的升空高度穩定性較差。

熱敏法

熱敏法就是在生產時，將配好方的膠乳，泡入有保溫裝置的圓形金屬模中，通過金屬模的旋轉，形成球膜。

熱敏化法的特點是:

①氣球的質量是由人或者是計算機控制下的加膠裝置將膠乳計量注進球模；

②膠模成型於模型內表面，球柄的直徑和長度不受後面脫膜工序的限制；

③膠膜在二維方向上相互銜接、交叉和重疊，其結構較密實，沒有取向性。

因此，採用熱敏化法製作氣球的優點是:

①生產過程幾乎不殘留余膠；

②同規格球質量差異小；

③氣球壁厚均勻，其最大最小厚度差僅有0.1 mm；

④氣球球體較短，球柄直徑較小而且長度長，施放操作方便；

⑤氣球升空高度的穩定性好。