邊界層探空系統

邊界層探空系統又稱系留氣球，在地面用繩索維繫能控制浮升高度的氣球。其上攜帶測量氣象參量如溫度、濕度等的儀器。測量結果可藉助有線傳輸或無線傳送等方式傳到地面。施放系留氣球通常用控制施放和回收的絞車，可以估算氣球距地面高度。系留氣球一般的施放高度為一二千米範圍內，適於大氣邊界層探測。

基本介紹

• 中文名：邊界層探空系統
• 外文名：Boundary layer sounding system 
• 又稱：系留氣球
• 地點：適合於野外科學考察工作
• 用途：適於大氣邊界層探測
• 施放：施放高度為一二千米範圍內

簡介

邊界層探空系統又稱系留氣球，在地面用繩索維繫能控制浮升高度的氣球。其上攜帶測量氣象參量如溫度、濕度等的儀器。測量結果可藉助有線傳輸或無線傳送等方式傳到地面。施放系留氣球通常用控制施放和回收的絞車，可以估算氣球距地面高度。系留氣球一般的施放高度為一二千米範圍內，適於大氣邊界層探測。

套用範圍

鐵塔的觀測高度有限，建築費用昂貴，卻無法輕易搬遷，台站日常施放的探空也無法在較長時段密集連續施放，使用系留氣球帶上一個輕便小型的探頭，不斷地上下位移可以及時收集到幾百米，至接近1 km高度內的氣象要素的垂直分布，設備還可以輕便地移運，因此系留探空系統特別適合於野外科學考察工作。

結構及功能

系留氣球的外形如飛艇，呈較好的流線型特徵，在有風情況下不但能保持較小的阻力，還能始終保持艇身頭部對準風的來向。

探頭如圖所示，它包括測量乾、濕球溫度的熱敏電阻，電容式空盒氣壓表，輕型風杯風速計，由於氣球艇首始終對準氣流的來向，可利用磁羅盤測定風向，磁羅盤的底座上固定有環形電位器，電位器的另位對準艇首而磁針始終保持正北，電位器上的觸點位置即風的來向，為減輕電位器的磨損和電火花燒蝕，整個羅盤浸泡在油內，讀數時通電使電位器磁芯產生吸力方使磁針與電位器接觸。

整個探頭是一台微型自動氣象站，包括數據採集、信號變低頻、信號調製及射頻電路。AIR公司生產的3型系留探空系統是403 MHz調幅式傳送，共有16個數據信道，其中5個信道為溫、濕、壓和風向、風速以及3個備份通道和一個探頭內溫度通道外，其餘均為保證信號解譯所需的參考點通道。

施放過程

系留氣球的施放過程為：將探頭固定在氣艇的支架上，打開主機及探頭電源，在接收機的鍵盤上輸入操作指令.指令包括起動接收並清除原有指令i設定接收頻率設定接收格式和數據組採集的時間間隔讀人檢定曲線設定日期和時間設定RS-232口的波特率讀入氣壓地面基測值等。

系留氣球施放過程可以實施在不停頓升降過程中讀數也可停頓在固定高度實施定點讀數，無論何種方式，均需將升降過程對應點的數據進行平均，保持各高度上的數值均取自於升降過程的中間時刻，並能消除由於滯後引起的呈相反趨勢的偏差。

設計要求

囊體設計

囊體作為系留氣球的主要結構，承受著系留氣球上的所有載荷，要具有一定的抗風能力，特別是在突風的衝擊，要有足夠的強度。在各種載荷作用的條件下，具有承受環向應力、剪下應力的能力；有時還要滿足承受撕裂力的要求，對懸掛系統來說還要考慮其他的附加應力。囊體的整體和某特定部位的強度和剛度受囊體截面積、內壓大小等多種因素的影響，隨飛行高度和環境溫度以及運動狀態的變化而變化。

由於氣球囊體材料只能承受拉力的特性，致使囊體材料總體剛度只能由內壓維持。當內壓一定時，張力與囊體半徑成反比，即當囊體較大時，應選擇拉伸強度和撕裂強度比較大的材料，當囊體較小時，應選擇拉伸強度和撕裂強度比較小的材料。

囊體材料的選擇主要考慮輕質、高強度、高氣密性、良好的耐候性、高比強度、高抗曲撓、耐揉搓和良好的耐磨性，尤其是主氣囊材料要考慮耐臭氧和對各種射線(紫外線)的反射及其他環境因素的影響。應通過對主氣囊及其典型部位的安全性分析，選擇強度比較高、環境適應性較好的的材料，提高囊體的強度設計，使囊體的破壞失效機率降到最小。

頭錐設計

頭錐固定在囊體的頭部，使系留氣球在地面系留時，很好地固定在系留塔上。頭錐應該設計成便於系留和脫系的旋轉機構，採用高強度鋼和鋁合金製造，保證有足夠的強度裕度，安全係數最小應大於2。為了防止地面系留時頭錐從系留鎖中意外脫開，應增加其他地面系留輔助設施，使頭錐直接與系留塔連線，充分增加系留氣球地面系留的安全性。

系留系統設計

系留系統主要包括系留拉索、機械拉索和系留纜繩。系留拉索分布在囊體的兩側，相對於氣球縱向平面對稱，用於將系留氣球的淨浮力載荷集中傳到系留纜繩。機械拉索也是分布在系留氣球兩側，只在地面系留時，連線在地面系留絞盤上。由於系留氣球在使用過程中載荷比較複雜，所以系留拉索和機械拉索的安全係數一般大於2。

系留纜繩是系留氣球的一個關鍵部位。系留氣球的升空、回收和姿態調整都是通過纜繩來實現的。系留纜繩既要有足夠強的力學性能，又要有傳輸球上設備所需的電信號、光信號等功能，同時還要有防雷擊特性。為了增加系留纜繩的安全性，系留纜繩的安全係數應大於3。

地面系留設施設計

地面系留設施的作用是能把系留氣球固定在一定位置，保證系留氣球能夠安全可靠地升空和回收，可分為陣地式和車載式。設計時，既要考慮收放裝置能夠順利地收放系留氣球，又要考慮旋轉平台能夠隨風自由旋轉，同時防止系留塔傾覆。通過有限元分析，保證地面系留設施有足夠的安全裕度，提高地面系留設施的安全性。

防雷系統設計

雷電對系留氣球的破壞是全方位的，結合系留氣球的一般結構及雷電的損害方式，防雷措施可分為球體防護、球載設備防護以及地面設備及人員的保護。對球體的防護措施一般採用靜電防護、導體籠防護和懸索導線防護。對球體設備防護一般採用絕緣材料把電子設備與導電物體隔離或者安全接地，使球體上形成的雷擊電流順利傳到地面，把能量釋放出去。