| 用自主研制的科學(xué)利器抵近追蹤、持續(xù)探測(cè) |
| 去揭開(kāi)臺(tái)風(fēng)的“秘密” |
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圖①：臺(tái)風(fēng)追蹤探測(cè)儀器整體。
圖②：下投探空與通信系統(tǒng)。
圖③：艦載臺(tái)風(fēng)探測(cè)雷達(dá)。
圖④：雙模態(tài)定點(diǎn)投送器。
圖⑤：低雷諾數(shù)投送器。
以上均為示意圖，由北京理工大學(xué)提供
正值臺(tái)風(fēng)活躍期，圍繞即將開(kāi)展的追蹤探測(cè)臺(tái)風(fēng)的外場(chǎng)試驗(yàn)，北京理工大學(xué)復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測(cè)中心科研人員正緊張忙碌著。
“如果順利，未來(lái)幾個(gè)月，我們研制的臺(tái)風(fēng)追蹤探測(cè)儀器‘成色’就將接受檢驗(yàn)。”北京理工大學(xué)教授胡純難掩興奮：“團(tuán)隊(duì)多年的努力，有望得到反饋。”
采集臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)——
傳感器大小如指甲蓋，有許多特別的設(shè)計(jì)
探測(cè)中心的陳列間里，擺滿了團(tuán)隊(duì)研制的創(chuàng)新產(chǎn)品。拿起一個(gè)傳感器，胡純興致勃勃地介紹：“采集臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，這是探測(cè)儀器的關(guān)鍵零部件之一。”
眼前的臨近空間超低氣壓傳感器，大小如指甲蓋，與一塊小型電路板相連，看上去并沒(méi)有什么特別。胡純接著解釋：“臨近空間距離地面約20千米至100千米，溫度、壓力極低，為適應(yīng)極端條件，這個(gè)傳感器其實(shí)有許多特別的設(shè)計(jì)。”
為何要專門研發(fā)儀器采集臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)？現(xiàn)有的臺(tái)風(fēng)探測(cè)手段都有各自局限。比如，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，通過(guò)放探空氣球，可以收集到一些外圍信息，但難以清楚臺(tái)風(fēng)內(nèi)核情況。氣象衛(wèi)星存在收集要素少、不精細(xì)等不足，且衛(wèi)星在臺(tái)風(fēng)上方過(guò)頂時(shí)間有限，無(wú)法較長(zhǎng)時(shí)間追蹤觀測(cè)。地基氣象雷達(dá)一般只能在岸基探測(cè)，也同樣存在要素不充足、精度不夠高等缺點(diǎn)。
精確描述和預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)，依賴于長(zhǎng)期持續(xù)探測(cè)和高質(zhì)量數(shù)據(jù)。氣象科學(xué)家判斷，要研究臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響因素，必須采用專用儀器，從內(nèi)核區(qū)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行多要素、長(zhǎng)過(guò)程、精細(xì)化的直接探測(cè)。
走進(jìn)探測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室，隨處可見(jiàn)類型多樣的儀器部件。科研人員告訴記者，它們主要分為四大核心部件，分別承擔(dān)精細(xì)探測(cè)、信息傳輸、飛行控制和同化模擬功能。
這些儀器如何靠近臺(tái)風(fēng)？“上天執(zhí)行任務(wù)，飛艇是這些儀器的‘母艦’。”打開(kāi)團(tuán)隊(duì)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)視頻，北京理工大學(xué)教授、臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任鄭德智說(shuō)，“全部展開(kāi)后，飛艇最大直徑可達(dá)20多米，長(zhǎng)度則足足有100多米。”
“臺(tái)風(fēng)半徑可達(dá)數(shù)百千米、高度可達(dá)十幾千米，生命期為3到10天，目前只有飛艇可以在這個(gè)高度長(zhǎng)時(shí)間停留。有了它，相當(dāng)于在臺(tái)風(fēng)上空的臨近空間布設(shè)了一個(gè)探測(cè)平臺(tái)。”鄭德智說(shuō)，飛艇下方攜帶著研發(fā)的儀器，通過(guò)抵近外測(cè)與直接內(nèi)測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行抵近追蹤持續(xù)探測(cè)。
通過(guò)這套方法，科研人員有望反演分辨率至100米甚至50米級(jí)別的數(shù)字臺(tái)風(fēng)，這將極大提升人類對(duì)臺(tái)風(fēng)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平。
適應(yīng)極端環(huán)境——
研發(fā)從基本工作起步，電腦里裝滿了各式各樣的設(shè)計(jì)草案
按照設(shè)想，科研人員先用雷達(dá)追蹤臺(tái)風(fēng)位置，引導(dǎo)飛艇機(jī)動(dòng)至臺(tái)風(fēng)中心上空。隨后，飛艇投放探空儀，通過(guò)傳感器采集到的溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至飛艇，再由飛艇傳輸至地面進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。
記者采訪時(shí)，胡純正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證探空儀的功能。在模擬艙環(huán)境內(nèi)，模擬臨空環(huán)境低溫、低壓等特殊環(huán)境，再把10個(gè)探空儀放置其中，并觀測(cè)它們記錄數(shù)據(jù)的有效性和精度等。通常，一次實(shí)驗(yàn)要持續(xù)一周左右。
記者小心翼翼接過(guò)一個(gè)探空儀，沒(méi)想到居然非常輕。
“探空儀主體用的是硬質(zhì)泡沫，金屬材料很少。”胡純說(shuō)，飛艇載荷限制很嚴(yán)格——整個(gè)載荷系統(tǒng)需控制在200公斤以內(nèi)，單個(gè)儀器的重量、體積、功耗被壓縮到極致。科研人員嘗試了不同種類的外殼材料，最終另辟蹊徑，選擇了硬質(zhì)泡沫。
研制臺(tái)風(fēng)探測(cè)儀器，極端環(huán)境是“攔路虎”。比如，飛艇上升過(guò)程中，溫度變化顯著，遠(yuǎn)超普通工業(yè)級(jí)芯片耐受范圍。為讓傳感器穩(wěn)定工作7天以上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了加熱控制系統(tǒng)，為傳感器“保暖”。
與飛艇協(xié)同作業(yè)，也是研制過(guò)程必須直面的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法上同時(shí)發(fā)力，確保了傳感器適應(yīng)飛艇動(dòng)態(tài)姿態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)行。
“在臨近空間環(huán)境探測(cè)臺(tái)風(fēng)，之前沒(méi)人做過(guò)，我們?cè)S多工作都是從電路板設(shè)計(jì)、材料選型等基本工作起步。”胡純說(shuō)，“瞧，我電腦里裝滿了各式各樣的設(shè)計(jì)草案。”
以高動(dòng)態(tài)濕度傳感器為例。適應(yīng)臺(tái)風(fēng)的惡劣環(huán)境，傳感器要在穿云過(guò)程中快速獲得精確的濕度值。為找到理想的材料，2020年，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)開(kāi)展攻堅(jiān)，有的學(xué)生在西安交通大學(xué)一待就是半年。
“從第一代開(kāi)始，仿真、測(cè)試再設(shè)計(jì)，歷經(jīng)近4年反復(fù)迭代優(yōu)化，一次次微調(diào)才做出最終產(chǎn)品。”胡純說(shuō)。
邊研發(fā)邊外場(chǎng)試驗(yàn)。2022年，經(jīng)過(guò)多輪實(shí)測(cè)，探測(cè)儀器進(jìn)行了第一次系統(tǒng)集成。2022年底，飛艇在臨近空間飛行80天，飛艇可行性得到驗(yàn)證。在江蘇鹽城，去年底團(tuán)隊(duì)首次在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上驗(yàn)證了全套系統(tǒng)性能，為后續(xù)高空探測(cè)奠定基礎(chǔ)。
探測(cè)中心里，科研人員或討論方案，或調(diào)試設(shè)備，他們正為臨近空間環(huán)境帶載荷的試驗(yàn)沖刺。“經(jīng)過(guò)前面的積累，我對(duì)接下來(lái)的試驗(yàn)有信心。”鄭德智說(shuō)。
緊密協(xié)同攻關(guān)——
為了敲定一些試驗(yàn)細(xì)節(jié)，經(jīng)常討論到凌晨
開(kāi)展臨空環(huán)境臺(tái)風(fēng)探測(cè)，有可能深刻揭示臺(tái)風(fēng)生成、演化、突變的科學(xué)奧秘，推動(dòng)我國(guó)臺(tái)風(fēng)精準(zhǔn)探測(cè)、科學(xué)認(rèn)知與精確預(yù)報(bào)邁入領(lǐng)先行列。
聆聽(tīng)創(chuàng)新歷程，記者感受到，走在行業(yè)前列，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期積累和前瞻作為。
團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、北京理工大學(xué)教授張軍長(zhǎng)期專注飛艇相關(guān)技術(shù)研發(fā)。早期，張軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的飛艇主要用于應(yīng)急通信、對(duì)地觀測(cè)等，當(dāng)發(fā)生地震、洪水等自然災(zāi)害，幫助災(zāi)區(qū)保持信號(hào)暢通。為了充分利用飛艇能力，團(tuán)隊(duì)嘗試探索在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。2017年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)氣象局聯(lián)合實(shí)施艇載探空儀釋放試驗(yàn)，這一飛艇技術(shù)的重大突破，讓開(kāi)辟臺(tái)風(fēng)探測(cè)新路線成為可能。
在國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)等項(xiàng)目支持下，基于飛艇平臺(tái)，張軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)臺(tái)風(fēng)探測(cè)儀器。適應(yīng)臨近空間環(huán)境，科研人員從供電、飛行姿態(tài)、速度等方面進(jìn)行了改裝，讓飛艇能夠充當(dāng)臺(tái)風(fēng)探測(cè)平臺(tái)。
緊密協(xié)同攻關(guān)是團(tuán)隊(duì)持續(xù)創(chuàng)新的“奧秘”。鄭德智介紹，臺(tái)風(fēng)探測(cè)儀器核心部件包含飛行控制器系統(tǒng)、艇載氣象雷達(dá)、浮空氣象感知節(jié)點(diǎn)等七大關(guān)鍵設(shè)備，參與單位既有北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院等高校院所，也有北京天恒長(zhǎng)鷹科技股份有限公司等企業(yè)，大家圍繞同一個(gè)目標(biāo)，擰成一股繩，高效完成了各自任務(wù)。
外場(chǎng)試驗(yàn)，需要協(xié)調(diào)各方緊密配合。高校牽頭重大項(xiàng)目，在工程總體管理和支撐上相對(duì)較弱，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)既做科研又承擔(dān)組織工作，上百人密切配合。“為了敲定一些試驗(yàn)細(xì)節(jié)，我們經(jīng)常討論到凌晨，大家的干勁讓我深受感動(dòng)。”胡純說(shuō)。
今年1月，北京理工大學(xué)聯(lián)合多家單位申報(bào)，獲批了臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這是我國(guó)在該領(lǐng)域唯一的全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
“不只是服務(wù)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)，了解臨近空間環(huán)境也很有價(jià)值。”鄭德智說(shuō)，臨近空間是衛(wèi)星、火箭等飛行器的重要活動(dòng)區(qū)域，準(zhǔn)確了解這里的環(huán)境信息，有助于優(yōu)化飛行器設(shè)計(jì)，為我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。“展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)要做的工作還有更多。”