出品：黄万宁、张太华中国科学院空天信息研究所
出品单位：中国科学院计算机网络信息中心
气球作为儿童玩具的形象早已深入人心，旅游景点附近随处可见气球玩具出售。
稍微高级一点的版本是利用气球可以飞上天的原理来承载物体。看过迪士尼动画电影《飞屋环游记》的观众都对这一幕印象深刻。主角老人，用很多玩具气球绑住了自己的房子，实现了飞上天空的梦想。
这种飞行消耗大量气球，实施起来比较麻烦。其实，这样的功能，用一个不太大的热气球就可以实现。 “我想带你去浪漫的土耳其，然后一起去东京、巴黎……”每次听到这些歌词，我都会忍不住想去土耳其体验一下“浪漫”，感受一下魅力乘坐热气球飞行。
上面我们介绍的是普通人如何玩气球。那么科学家们玩气球是什么样子的呢？
科学家们是如何玩气球的？
科学家经常玩的一种气球被称为系留气球。与娱乐相比，系留气球更注重科学功能，在科学考察、环境监测等方面发挥着不可替代的重要作用。
系留气球，顾名思义，就是气球的下端系着一根缆绳。乍一看，就像放风筝一样。尤其是最近出现的大型风筝确实趋向于充气类型，但它们并不是像气球那样充满氦气或氢气，而是充满空气。
有的同学可能会问，我们平时玩的玩具气球也是用绳子系着的，那是系绳气球吗？事实上，当我们用手握住气球的绳子时，我们勉强可以称其为系留气球；一旦我们松开手，气球就飞上了天空，它就变成了自由气球。
不同的形状，不同的功能
当然，这只是为了方便解释名称。科学家们正在玩系留气球。下面绑的绳子不仅起到拉动气球的作用，而且实际上是一条很有技术含量的绳子。这种电缆除了承受拉力的光纤外，还包含电缆和光纤，分别起到供电和通信的作用。为了满足气球发射的要求，重量必须尽可能轻，同时满足受力、电力传输和光纤通信的要求。
这种电缆的学名是光电复合电缆。有了它，系留气球上的设备就可以通过系绳电缆传输电力，实现地面供电。这样，设备几乎不受能量限制，可以发挥其最大的优点：长时间停留在空中固定高度。
（形式与上图类似，但上图为地面用光电复合电缆，因此无需考虑减重）
这个气球升到了7003米，创下了世界纪录！
2019年5月9日以来，我国自主研制的“吉木一号”系留气球在西藏第二大湖纳木措开展了多次高空观测。 6月1日凌晨5时40分，系留气球升至6761米高度，顺利完成第七次高空观测。此次系留气球高空观测任务平均升空高度接近6800米。 5月23日早上6时01分，吉木一号创下了类似系留气球高空科学观测的世界纪录，上升至7003米。米。
中国科学院院士、第二次青藏科考首席科学家姚檀栋介绍了本次高空观测创下的世界纪录：“吉木一号”系留气球最高可达7公里测量大气中水蒸气的稳定同位素。这在世界上也是首次，对青藏高原的观测具有更为特殊的意义。 ‘
系留气球最适合高原高空气象观测
系留气球给青藏科考带来的技术突破是有目共睹的。
此前，高原地区垂直剖面气象观测一直是一个难题。科考队员冒着严重高原反应的风险，用牦牛驮着科学仪器到高原不同高度进行观测。该方法受山地地形限制，获取的数据在时间和空间上都比较分散。
而且，采用“扛牛、扛骆驼”的方法，即使将仪器设备带到更高海拔，仍然无法消除地表的影响，从而无法了解水等大气成分的真实含量和变化。无法获得相关高度的蒸气同位素和黑碳。非接触式测量装置的测量误差远远超出相关部件的变化幅度。据说，当牦牛到达海拔6500米时，即使再高它也不会离开！
为什么直升机不能也使用高空观测系留气球呢？
此次系留气球主要用于垂直剖面气象观测，即在同一地点不同高度停留一段时间，采集气象参数并分析该点不同高度气象参数的变化趋势。
对于此类任务，理论上我们也可以使用直升机进行观测。然而，目前性能最好的高原直升机是军用Z-18，最大升限为9,000m。但如果你想去青藏
高原地区高空气象观测必须携带重达100公斤以上的科学仪器，并且必须长时间定点悬停采集数据。这对于直升机来说要求太高了。
直升机的飞行高度有限与其特殊的飞行方式有关。它主要依靠发动机运转带动叶片向下旋转并压缩空气来获得升力。当产生的升力大于直升机的总重量时，直升机才能成功起飞。但在海拔高、空气稀薄的高原地区，直升机桨叶压缩空气的效率就会下降，直升机的飞行性能自然会大幅下降。
不使用直升机进行科学研究和观测的更重要原因是直升机的工作方式对周围气流造成很大扰动，会干扰气象数据的采集。但利用系留气球进行观测，没有发动机等动力，对周围环境的影响几乎可以忽略不计。特别适用于高海拔垂直剖面气象参数观测任务。
系留气球就像船一样“停泊”
系留气球依靠浮力升空。负载要求越高、升空高度越高，系留气球的体积就越大。
大家看到这里肯定会有一个疑问：这么大的气球会被风吹走吗？
答案当然是否定的！
除了主系泊缆的安全系数较高外，系泊气球系统的地面锚固设施也发挥着重要作用。
锚地一词是由船舶行业的锚地一词发展而来。系泊气球锚泊设施的主要功能与船舶上的锚泊设施类似。它们虽然形式不同，但功能相同，都起到稳定、固定的作用。
前者是为了固定气球球体不被风吹走，后者是为了稳定地固定船体；前者的系泊缆长度可通过主绞车收放，后者的锚链长度可根据水深需要收放和调节。
系留气球有两种状态，系留状态和锚定状态。
系留状态可以视为其工作状态。气球仅由主系绳拉动并保持在所需的高度。这时，气球上的仪器设备就可以开始工作了。
锚定状态可以视为待机状态。气球回缩至锚定平台，并受到头部鼻锥和两侧挂绳的约束。此时气球处于抗风较好的状态。此时，科学仪器上的气球将关闭，只剩下具有球体压力控制功能的装置。
而且，锚定设施上有一个旋转平台，可以在球体的带动下自由旋转，使流线型气球的头部始终面向来风的方向，这样气球的风阻相对较小。最小。
因此，一旦遇到恶劣天气，操作人员会将系留气球抛锚，以确保球体的安全。
此次纳木措试验是中国科学院空天信息研究所系留气球第六次在青藏高原开展科考作业。未来，我国将完成系统性“极目”观测，实现对第三极生态、环境、资源、灾害等过程的大范围、多尺度、系统化、定期监测，为科学研究提供准确数据和社会经济发展。
下一步，科考队将利用系留气球继续在青藏高原其他地区进行观测，并有望挑战更高海拔。
参考：
[1]人民网军事频道。国产Z-18直升机首次飞越珠穆朗玛峰，海拔高度达到9000米[EB/OL].http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html, 2015- 2- 2.
[2] 黄万宁，李英思，周淑玉，等。现代浮空器的军事应用[J].科技导报，2017(15):22-29。
[3]新华社.7003米！我国自主研发系留浮空器打破高度记录[EB/OL].http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/6153393, 2019-5-23.
用户评论
迷路的男人
哇，看到这个标题我就想起了自己，有时候觉得自己像是气球，飘在空中却不知怎么降落。不过，你这篇文章让我看到了优秀的气球也是有根的！
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半世晨晓。
气球优秀，是因为它知道怎么利用风的力量，而不是盲目飘荡。我也想成为这样的气球，有目标有方向。
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不浪漫罪名
哈哈，气球还能优秀？不过这篇文章让我觉得，每个人都有自己的闪光点，哪怕我们觉得自己只是个气球。
有20位网友表示赞同！
冷青裳
气球优秀，是因为它不怕被刺破，反而能反弹。我们要学习这种精神，即使遇到挫折也能勇往直前。
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不识爱人心
这个标题真是戳中我的心！我有时候觉得自己很普通，但看到气球这么优秀，我也想努力发光发热。
有7位网友表示赞同！
墨城烟柳
气球优秀，是因为它总是向上的，哪怕有时候会被风吹得摇摇晃晃。我们也要像气球一样，保持向上的心态。
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猫腻
每次看到气球，都会想，它那么轻飘飘的，怎么就能这么优秀呢？这篇文章给了我答案，原来优秀是源于内心的力量。
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关于道别
气球优秀，是因为它知道什么时候该停下来，而不是一味地飘。我们要学会适时地休息，才能走得更远。
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请在乎我１秒
看到这个标题，我瞬间觉得自己也是个优秀的气球，虽然有时候会迷路，但我知道自己一直在努力。
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暖栀
气球优秀，是因为它知道自己要飞向何方。我们也要明确自己的目标，才能在人生的道路上越走越远。
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致命伤
这个标题让我反思了自己，有时候觉得自己不够优秀，但看到气球这么努力，我也想努力成为更好的自己。
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君临臣
气球优秀，是因为它敢于冒险，即使有时候会遇到危险。我们要有勇气去尝试，才能发现自己的潜力。
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眼角有泪°
我也是一个气球，但有时候觉得自己太普通了。这篇文章让我看到了自己的价值，我要努力成为那个优秀的气球。
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纯情小火鸡
气球优秀，是因为它知道自己的价值。我们也要学会发现自己的优点，才能更好地发光发热。
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墨城烟柳
看到这个标题，我突然觉得，每个人都有自己的优点，就像气球一样，我们要学会发现自己并展示出来。
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发型不乱一切好办
气球优秀，是因为它知道自己要飞向何方。我们也要学会规划自己的人生，才能实现自己的梦想。
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她最好i
这个标题让我想起了我的朋友，他就像一个优秀的气球，总是能找到前进的方向。我要向他学习，也让自己变得优秀。
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龙吟凤
气球优秀，是因为它知道自己的力量。我们也要相信自己的能力，勇敢地去追求自己的梦想。
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