《氣象儀器和觀測(cè)方法指南》(第六版)第27章氣球技術(shù)

49027章氣球技術(shù)氣球氣球的主要類型氣象探測(cè)使用的氣球主要有兩種：測(cè)風(fēng)氣球和探空氣球。用于高空風(fēng)觀測(cè)的測(cè)風(fēng)氣球和用于云底高度觀測(cè)的測(cè)云氣球。這些氣球一般不攜帶載荷，因而要比探空氣球小得多。氣球幾乎總可以保持可膨脹的球形。除了能夠到達(dá)所要求的高度外，它們也能在升空過(guò)程中始終保持很好的球形的主要要求。用于攜帶常規(guī)高空探測(cè)儀器的氣球，通常是可膨脹的球形氣球，這種氣球稱為探空儀氣球或探空氣球。這些氣球應(yīng)有足夠的尺寸和質(zhì)量，以保證把所攜帶載荷〔一般為200—1000g〕以能確保測(cè)量元件具有通風(fēng)良好的升速，升至30km的高度。為了用雷達(dá)測(cè)量高空風(fēng)，是使用大測(cè)風(fēng)氣球〔100，還是使用探空氣球，這要取決于所攜帶設(shè)備的重量和空載設(shè)備的阻力。其它特地用途的氣球在此不作介紹。上升至并漂移在預(yù)定高度的定高氣球由非膨脹性材料制成。一個(gè)大的定高氣球在施放時(shí)往往不能布滿氣體，而超壓定高氣球在施放時(shí)，充氣至完全膨脹狀態(tài)。等容氣球是一個(gè)小型四周體外形的超壓定高氣球，用于軌道爭(zhēng)論。風(fēng)廓線系留氣球在第5章中介紹。氣球的材料和特性高質(zhì)量的自然橡膠膠乳和以氯丁橡膠為主的合成膠乳是可膨脹氣球的最正確根本原料球的球型比氯丁橡膠的好，而且球皮更韌一些，可以做得比較薄，也能到達(dá)規(guī)定的要求。受溫度的影響也要小一些，但在高空中易受臭氧和紫外線輻射的影響，而且保存期較短。兩種氣球的原材料都攙進(jìn)一些添加劑，以提高氣球的保存期、伸長(zhǎng)率，減小在貯存和飛行期間受低溫、臭氧和紫外線輻射的影響。在氣球的生產(chǎn)過(guò)程中，加進(jìn)一種抗靜電劑，作為預(yù)防在充灌氫氣時(shí)發(fā)生爆炸的方法之一。內(nèi)外表噴涂乳膠，形成氣球。用模子生產(chǎn)的氣球球皮厚度較均勻，當(dāng)它膨脹時(shí)可以到達(dá)所要求更高的高度，而且球柄和球身連成一體，避開(kāi)形成可能消滅的薄弱點(diǎn)。聚乙烯是生產(chǎn)定高氣球的非膨脹材料。氣球的技術(shù)要求1—5cm、長(zhǎng)度為10—20cm的球柄。對(duì)探空氣球來(lái)說(shuō)，球柄還必需能承受200N的拉力而不致?lián)p壞。為了減小球柄被扯斷的可能性，重要的是要使球皮的厚度向球柄方向漸漸增加，厚度突然變薄的地方就是簡(jiǎn)潔出問(wèn)題之處。氣球是以它的標(biāo)稱重量進(jìn)展分類的，以克〔g〕為單位。各種氣球?qū)嶋H重量與標(biāo)稱重量的誤差不10%5%45倍、6倍，而且保持這種膨脹狀態(tài)至少達(dá)一小時(shí)。氣球充氣后應(yīng)呈球形或梨形。靠的指南。有一種老化試驗(yàn)，把氣球樣品在80℃的烘箱內(nèi)擱置4天，這可以看作大約在熱帶地區(qū)貯存了4年，此時(shí)氣球仍能滿足其最低膨脹的要求。要留神地對(duì)氣球進(jìn)展包裝，避開(kāi)暴露在光線〔尤其是太陽(yáng)光、空氣或極端溫度下，以防止氣球性能快速惡化。廠家生產(chǎn)可供白天和夜間選擇使用的兩種氣球，它們的差異就是松軟劑添加量不同。氣球的性能升速依據(jù)浮力原理，氣球的總舉力由氣球內(nèi)氣體體積的浮力打算，即：TV()0.523D3() 〔27.1〕g g式中：T表示總舉力，V表示氣球體積，表示空氣密度， 表示球內(nèi)氣體密度，D表示氣球直徑，g假定氣球?yàn)榍蛐?。〔?.2kgm-3〔27.1〕g中的各個(gè)量都隨高度不同而變化。氣球的凈舉力L是由總舉力減去氣球重量和載荷重量〔假設(shè)有的話〕的總和W，即：LTW 〔27.2〕此即，假設(shè)氣球的凈浮力和氣球的附加物重量一樣時(shí)，氣球既不上升也不下沉。依據(jù)動(dòng)力學(xué)相像性原理，氣球在靜空中的升速V可以由一個(gè)通用公式表示：qLnV 〔27.3〕(L W)1/3qn取決于阻力系數(shù)，因而也就取決于雷諾數(shù)D/〔為空氣的粘滯系數(shù)。圓滿的是，1×105和3×105的臨界區(qū)內(nèi)，相應(yīng)的阻力系數(shù)產(chǎn)生快速變化，合實(shí)際的。上述公式中qn的值必需通過(guò)試驗(yàn)得出。假設(shè)升速以mmin-1為單位，qn分別可以近似地取值150和0.5。其它因子如空氣密度的變化和氣球漏氣也會(huì)影響氣球的升速，并隨高度增加而引起顯著變化。75%左右的氣球凈舉力。除了小雨的天氣外，任何降水天氣都不能使用假定升速。在探空時(shí)，往往并不需要了解準(zhǔn)確的升速，但進(jìn)展測(cè)風(fēng)、云幕球觀測(cè)時(shí)就不同，因沒(méi)有其它方法確定高度。升速在很大程度上取決于氣球是如此。最高高度主要取決于總舉力和氣球的尺寸與質(zhì)量。氣球性能性能。必需通過(guò)爭(zhēng)論、分析實(shí)際飛行狀況才能獲得。當(dāng)總舉力增加時(shí)，氣球能夠攜帶的載荷要比表中所列的高。這一點(diǎn)可以通過(guò)增加充灌氫氣加大氣球體積來(lái)實(shí)現(xiàn)，但會(huì)影響升速和球炸高度。氣球的典型性能〔g〕1030100200350600100015003000〔cm〕305090120130140160180210〔g〕00025025025025010001000〔g〕56030050060090011001300170060150250300300300300300300〔km〕121320212631343438氣球的選擇取決于所攜帶的載荷〔假設(shè)有的話〕重量、升速和探測(cè)高度，假設(shè)用于目測(cè)跟蹤，還300—400mmin-1，這樣既能保證探測(cè)時(shí)間最短，同時(shí)又能定適用的氣球。依據(jù)使用氣球的一般規(guī)章，要確定好凈舉力，使氣球到達(dá)最正確球炸高度。例如，已經(jīng)覺(jué)察削減對(duì)390mmin-1310mmin-12km。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，證明白這個(gè)規(guī)律。在晴朗的白天進(jìn)展目測(cè)時(shí)，使用無(wú)色氣球較為便利，在多云天氣則要使用黑色氣球。爆破時(shí)直徑〔周長(zhǎng)〕與氣球未伸張時(shí)的原始直徑〔周長(zhǎng)〕之比來(lái)表示。不過(guò)氣球在實(shí)際飛行中的性能球的性能。在飛行中，低溫降低球皮彈性，氧、臭氧和紫外線輻射的化學(xué)作用以及生產(chǎn)中的缺陷，如針孔、疵點(diǎn)之類均會(huì)影響氣球的膨脹性能。一個(gè)令人滿足的氣球在實(shí)際探測(cè)中至少應(yīng)膨脹4倍。在地0.1—0.2mm范圍內(nèi)。P1定了一個(gè)限度。假定氣球內(nèi)外的溫度全都，則氣球的限度外壓P可由下式求出：1.07W WPP( L0

0.075)P1

L1 〔27.4〕0W為氣球和儀器的重量，L0

為地面時(shí)的凈舉力，均以克為單位。假設(shè)氣球能到達(dá)氣壓P所對(duì)應(yīng)的高度，那么它將漂移在這個(gè)高度上。氣球的處理貯存長(zhǎng)的氣球，應(yīng)依據(jù)生產(chǎn)日期的挨次安排使用。18個(gè)月內(nèi)都能保持最正確性能。很多廠家都為他們的產(chǎn)品編印了使用說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真地遵守。以下的常規(guī)性說(shuō)明，適用于大多數(shù)型號(hào)的探空儀氣球。氧環(huán)境中，都有可能受到損害。全部的氣球都應(yīng)保持原始封裝狀態(tài)，直至施放前的預(yù)備。務(wù)必留意不能讓氣球接觸油類或能滲透包裝材料、損害氣球的任何物質(zhì)。有可能的話，氣球應(yīng)當(dāng)貯存在15—25℃的室內(nèi)。有些廠商對(duì)這點(diǎn)有具體說(shuō)明。這樣的要求應(yīng)當(dāng)始終遵守。適應(yīng)環(huán)境會(huì)發(fā)生凍固化。不過(guò)對(duì)于那些長(zhǎng)期存放在10℃以下環(huán)境的氣球，施放前幾周就應(yīng)放置在室溫下。氯丁橡膠氣球在溫度低于10℃的條件下長(zhǎng)期存放時(shí)，彈性受到一局部損失。對(duì)這種氣球的處理可以使損失的彈性在灌氣前得以恢復(fù)到最正確狀態(tài)。要遵從廠家的建議，通常的方法是，在灌氣前把氣球放在加熱的保溫箱內(nèi)放置幾天，維持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸龋蛘叻湃霟崴圻M(jìn)展加溫。在極地站，極端低溫期間，使用的氣球要經(jīng)過(guò)特別處理，以使其維持強(qiáng)度和彈性。灌球假設(shè)不使用放球器，則最好在一間與其它建筑隔離的專用房間里進(jìn)展灌球，而且通風(fēng)條件要好。假設(shè)使用氫氣，室內(nèi)不能有任何火花源。全部電源開(kāi)關(guān)均要使用防爆開(kāi)關(guān)。其它具體要求見(jiàn)27.6節(jié)。沙粒。灌球時(shí)，操作者要穿防護(hù)服。操作者不要停留在已灌有氫氣氣球的封閉房間內(nèi)。灌氣設(shè)施要能把握。假設(shè)灌氣房門(mén)關(guān)著，操作者應(yīng)能在屋外觀看到氣球的灌氣狀態(tài)；操作者在氣球室內(nèi)充氣時(shí)，房門(mén)應(yīng)翻開(kāi)。持均勻的流量。所需的灌氣量〔凈舉力〕可以由所需重量的充氣嘴來(lái)確定，也可以由一個(gè)能稱出氣球升力的平衡臂確定。除非想要考慮氣球的重量變化，平衡臂使用不太便利，而且日常觀測(cè)業(yè)務(wù)中幾乎閉的閥門(mén)。施放惡化，甚至尚未施放就爆破。在人工施放時(shí)應(yīng)穿防護(hù)服。應(yīng)考慮盛行風(fēng)和陣風(fēng)對(duì)施放場(chǎng)地的影響，在嚴(yán)寒氣候地區(qū)，還要考慮低吹雪。使用一種簡(jiǎn)便的施放裝置，這種裝置由一個(gè)卷筒和一個(gè)心軸組成，卷筒用以卷繞吊繩，心軸則用以加裝氣閘或擒縱機(jī)關(guān)，使吊繩在氣球施放后緩慢地退繞。機(jī)械式放球裝置有著極大的優(yōu)點(diǎn)，可在灌氣和施放時(shí)，使操作員與氣球分別，從而確保操作員安全。該裝置甚至可以不需要操作員在場(chǎng)。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)20ms-1時(shí)，自動(dòng)放球裝置就失效了。氣球施放前應(yīng)為探空儀傳感器供給足夠的通風(fēng)，其構(gòu)造應(yīng)能防火、防爆。氣球升空攜帶物夜間放球用的照明燈測(cè)風(fēng)氣球在夜間施放升空時(shí)，一般使用小電池和燈泡作為光源。通常使用2節(jié)1.5V的干電池或浸水活化電池和一個(gè)2.5V、0.3A的燈泡，也可以使用化學(xué)熒光光源裝置，不過(guò)對(duì)高度較高的探測(cè)，2—3W的光源，并協(xié)作使用簡(jiǎn)潔的反射器。當(dāng)使用照明裝置時(shí)，假設(shè)要保持升速不變，理論上要稍許增加凈舉力。也就是說(shuō)，總舉力的增加量必需大于附加攜帶重量〔見(jiàn)公式〔27.3〕。然而，在實(shí)際中由于附加載荷有可能改善氣球的空氣動(dòng)力外形和氣球的穩(wěn)定性，需要增加的總舉力實(shí)際上或許低于計(jì)算值。過(guò)去在夜間放球時(shí)，曾在氣球下面約2m處懸掛一個(gè)半透亮的蠟燭紙燈籠。然而，蠟燭懸掛在氣球四周存在瞬間燃燒或爆炸的危急。當(dāng)燈籠回落地面時(shí)，也存在引發(fā)森林或其它建筑物燃燒的危急。因此，不主見(jiàn)使用蠟燭。降落傘5ms-1。2kg2m3m的好把各條傘繩先拴到一個(gè)直徑約40cm、重量很輕的木質(zhì)或塑料或金屬制的圓環(huán)上，此圓環(huán)應(yīng)剛好在各傘繩匯結(jié)點(diǎn)的上面。助把各條傘繩隔開(kāi)。傘繩及各附件，必需能經(jīng)受得住降落傘的張開(kāi)。假設(shè)使用了一個(gè)輕型探空儀〔輕于250，則雷達(dá)反射器即可在降落時(shí)供給足夠的阻力。灌球用的氣體概述危急。不過(guò)，氦氣主要只限于很少幾個(gè)有豐富自然資源的國(guó)家使用，用得更普遍的還是氫氣。氦氣在1013hPa15〔總舉力1.115kgm-31.203kgm-3，而商用氫氣的浮力比此略低一些。應(yīng)當(dāng)留意的是，依據(jù)海事保險(xiǎn)方面的一般規(guī)定，現(xiàn)在已不再允許在船上使用氫氣。在這種狀況，資和額外保險(xiǎn)費(fèi)。的方法。但在難于供給鋼筒或這方面費(fèi)用過(guò)高的地方，在站上使用制氫設(shè)備〔見(jiàn)27.5.3節(jié)〕制氫應(yīng)當(dāng)不會(huì)存在很大的困難。氣筒一般使用加壓18MP〔熱帶地區(qū)為10MP、可貯氣體63的鋼氣筒最便利。但在類似于探空站使操作人員的工作量最小。為了避開(kāi)和其它氣體混淆，氫氣筒應(yīng)涂以醒目的顏色〔很多國(guó)家使用的是紅色，其排氣閥門(mén)應(yīng)使用左旋螺紋，以區(qū)分于非可燃?xì)怏w氣筒。氣筒上應(yīng)帶有閥門(mén)保護(hù)罩，以便在搬運(yùn)過(guò)程中保護(hù)閥門(mén)。每隔2—5鋼筒能承受的測(cè)試內(nèi)壓至少應(yīng)高于正常工作壓強(qiáng)的50%免陽(yáng)光直接照耀。把氫氣筒存放在通風(fēng)良好的棚內(nèi)是一種可取的方法，氫氣筒存放在這樣的棚內(nèi)，氫氣的任何泄漏都可以很快向棚外逸散。氫氣發(fā)生器硅鐵和苛性鈉加水；鋁和苛性鈉加水；氫化鈣和水；鎂鐵粉和水；液氨以熱鉑作觸媒；甲醇、水以熱觸煤；水的電解，嚴(yán)格遵守。這些化學(xué)物質(zhì)需要特別運(yùn)輸、貯存和處理，而且很多物質(zhì)的廢料具有腐蝕性，假設(shè)不能謹(jǐn)慎地把握其反響，它們將產(chǎn)生過(guò)量的熱量和壓強(qiáng)。甲醇作為一種有毒酒精，假設(shè)被濫用者當(dāng)成一般物質(zhì)飲吸，會(huì)致人死亡。特別是對(duì)普遍使用的苛性鈉，要格外留神。操作人員要有適當(dāng)保護(hù)，尤其要保為防范萬(wàn)一，應(yīng)常備有醋之類的中和劑。有些化學(xué)方法在高壓下工作，出事故的危急性也相應(yīng)增加。高壓型發(fā)生器應(yīng)每?jī)赡隀z測(cè)一次，測(cè)試壓強(qiáng)至少應(yīng)是工作壓強(qiáng)的兩倍。發(fā)生器上應(yīng)備有泄放超震顫的安全裝置。一般是使用保險(xiǎn)片，其所用材料、尺寸、外形和更換頻數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)使用說(shuō)明書(shū)中的規(guī)定，這一點(diǎn)格外重要。即使安全裝置很有效，操作中仍極易伴有熱溶液濺出的危急。高壓型氫氣發(fā)生器在重裝料前，必需把上次使用時(shí)極限。使用氫化鈣和鎂鐵粉的優(yōu)點(diǎn)是，可以避開(kāi)使用苛性鈉。但圓滿的是，它們的生產(chǎn)費(fèi)用昂貴，只在特別狀況下才有可能承受。由于這兩種材料都是用水制氫的，所以必需貯存在完全防潮的容器內(nèi)。在使用觸媒制氫的過(guò)程中，必需留神防止觸媒受污染。方法〔特別是電解水制氫法〕生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量低，必需在灌球前預(yù)先生產(chǎn)并儲(chǔ)存，加壓或儲(chǔ)存在氣柜中。〔加水經(jīng)濟(jì)，而且所用制氫材料又無(wú)腐蝕性。這兩種方法需要消耗較多的電力，設(shè)備簡(jiǎn)潔，必需細(xì)心維護(hù)，每天都要檢查各道工序，以確保安全把握系統(tǒng)能有效地工作。電解水制氫的水必需是低礦物質(zhì)含量。氫氣事故預(yù)防措施概述雖然氫氣事故只是間或發(fā)生，但制氫是有危急的。氫氣很簡(jiǎn)潔被一小火花點(diǎn)著，引起內(nèi)燃。當(dāng)氫氣與空氣體積混合比例為4%—74%時(shí)，混合氣體會(huì)燃燒；當(dāng)混合比例到達(dá)18%—59%時(shí)，混合氣體會(huì)爆炸。不管燃燒還是爆炸，都會(huì)使四周的操作人員暴露部位的皮膚受到嚴(yán)峻燒傷。消滅爆炸時(shí)，操作人員還可能被猛擊到墻體或地上而嚴(yán)峻受傷。設(shè)計(jì)，但制造和存放氫氣的房舍或充灌、施放氣球場(chǎng)所的安全防護(hù)措施卻并非總能得到充分的重視。所以要常常監(jiān)視和觀看，以確保操作者按規(guī)程操作。自動(dòng)放球器〔見(jiàn)27.3.4節(jié)〕的最大優(yōu)點(diǎn)是，可以把操作者和氫氣完全分別，從而削減操作者受損害的程度。乎一樣。關(guān)于應(yīng)當(dāng)遵循的預(yù)防措施的其它資料，可以在相關(guān)的出版物中找到。操作者確定不行與已充氫氣的氣球同處于一密閉的房間內(nèi)。建筑物的設(shè)計(jì)和布局防措施。氫氣的積聚是必需避開(kāi)的，即使在灌氣過(guò)程中氣球在棚內(nèi)爆裂也要避開(kāi)氫氣積聚。安全房舍應(yīng)當(dāng)成為涉氫建筑物構(gòu)造設(shè)計(jì)的組成局部。氣候條件、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)是制約條件。在片的使用等。行政部門(mén)的指導(dǎo)，特別要爭(zhēng)取在以下方面的指導(dǎo)：制氫系統(tǒng)的適宜安裝位置；擬用材料的耐火性：建筑材料必需滿足耐火額定值；通風(fēng)要求，包括輕型構(gòu)造的房頂以確保氫氣和爆炸物能從房頂排出；適用的電器設(shè)備的布線要求；防火設(shè)備〔滅火器材及報(bào)警裝置；操作者在充氣室外對(duì)氣球充灌的把握。應(yīng)實(shí)行措施，使產(chǎn)生電火花的可能性減到最低限度。因此，任何電氣系統(tǒng)〔開(kāi)頭、燈具、電線〕的方法適當(dāng)布線。一般認(rèn)為，最好還是用室外光源通過(guò)窗戶照耀到室內(nèi)。依據(jù)同樣的理由，在室內(nèi)使避雷設(shè)備。器進(jìn)展監(jiān)控，例如，當(dāng)氫氣濃度到達(dá)最低爆炸濃度20%時(shí)，切斷氫氣發(fā)生器的電源，并發(fā)出警報(bào)，然40%時(shí)，發(fā)出另一個(gè)警報(bào)。在制氫、貯氫和氣球區(qū)應(yīng)劃定一個(gè)危急區(qū)，只有穿上安全服的人方可進(jìn)入。自動(dòng)放球器〔見(jiàn)27.3.4節(jié)〕可以免去特地的充灌房，從而大大簡(jiǎn)化了涉氫設(shè)備的設(shè)計(jì)。靜電荷性大大降低。制氫設(shè)備和灌氣室內(nèi)各種裝置上的靜電荷，可用妥當(dāng)接地的方法消退。觀測(cè)員衣服上的靜電荷，可用靜電放電夾驅(qū)除。的絕緣材料分別時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電荷。輕輕地碰一下操作員的衣服就會(huì)產(chǎn)生20kV的電荷。假設(shè)一個(gè)有效的火花放電，就足夠能引燃?xì)錃夂涂諝獾幕旌蠚狻ｋ姾蓮那蝮w導(dǎo)入