光明日报:空中“大白鲸”,科考新平台

在第二次青藏高原综合科学考察中,由中国科学院空天信息创新研究院研制的浮空艇创造了多项科考纪录,吸引了公众的视线——“极目一号”Ⅲ型浮空艇平台搭载众多科考仪器及设备,分别于5月15日4时40分、5月21日5时09分,升空高度两次超过世界最高峰珠穆朗玛峰,分别到达海拔9032米、海拔9050米,打破同类型浮空器的升空观测高度世界纪录,获得了珠峰地区大气水汽传输和温室气体垂直变化过程关键科学数据。
“极目一号”Ⅲ型浮空艇体积巨大,从外表看来形似“大白鲸”。如此大型的科学考验研究平台,科研人员是如何科学驯“鲸”的?浮空艇平台包含哪些先进技术?可以应用在哪些方面呢?

古老航空器 迎来新发展

在科研人员眼中,“浮空艇”有一个更为严谨专业的名字——系留气球。按照特性及大类区分,系留气球属于浮空器的一种。对公众而言,浮空器可能是一个既熟悉又陌生的词语——其实,内部充入氢气或氦气的气球就是一种浮空器,但科学上应用的浮空器却不是这么简单。
浮空器是指内部充入(含有)的气体比重低于空气的航空器,其升空原理是依靠轻于空气的气体浮力产生的静升力克服自身重力升空。总体上,浮空器可分为气球和飞艇两类。气球是指无动力装置的浮空器,可分为自由气球和系留气球。自由气球随风飞翔,系留气球利用缆绳系留固定在地面锚泊设施上。飞艇是自带动力装置,可进行操纵飞行的浮空器,按浮空高度可分为中低空飞艇和平流层飞艇。在青藏高原创造观测高度世界纪录的“极目一号”Ⅲ型浮空艇平台属于一种大型的系留气球平台系统。
浮空器是一种古老的航空器,是人类想要翱翔天空、征服蓝天最早使用的航空器。气球、飞艇出现的时间比飞机要早很多,随着飞机技术的不断发展,浮空器因为技术因素和时代因素等种种原因,一度逐渐消失在了大众的视野里。
但浮空器具有大载重、驻空时间长、易于布置、控制和操作成本低等明显优势,是其他航空器所不具备或不可比拟的。因此,部分科学家一直在潜心研究、积累技术,等待它的再次蝶变。
随着时代进步,浮空器相关领域的各项科学技术蓬勃发展,赋予了浮空器新的活力,对浮空器的研究又进入了新时代发展的“快车道”。可以说,此次“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造系留浮空器的升空观测高度世界纪录,是浮空器事业发展的又一里程碑。

新型浮空艇上的硬核科技

“极目一号”Ⅲ型浮空艇给人的第一印象就是大。如此大的系统,要如何保证它的正常运转?背后蕴藏着哪些先进技术和智慧结晶?海拔9000米高度处于对流层上部,高风速、低温、低气压、复杂电磁场的极端环境条件,对浮空艇全系统的升空科学观测提出了巨大的挑战,科研人员如何一一克服?
解决这些问题,科学家和工程师们有高招。

将“极目一号”Ⅲ型浮空艇(系留气球)系统按功能区分,可以分为球体分系统、测控分系统、供配电分系统、地面锚泊分系统以及载荷分系统。五个分系统紧密协作,共同保障浮空艇的升空科考观测的正常运行。
球体分系统,就是我们说的“大白鲸”。浮空艇形似“大白鲸”,“大”是指此次浮空艇的巨大尺寸——55米长,体积为9060立方米。这么巨大的体型是经过精密计算得出的优化尺寸,为了将既定的多种大质量载荷从地面携带至海拔9000米的对流层上部。
“白”是指浮空艇整体外形呈现白色。白色可以反射光线、减少紫外线的吸收,使浮空艇内部气体升温不会过快。此外,浮空艇的囊体材料隐藏着众多“黑科技”,它是一种由我国自主研发的轻质低密度低渗高强抗辐射复合织物材料,复合织物材料可以对整个浮空艇进行有效保护与支撑,阻挡外部雨雪风沙的同时,也可减少内部气体泄漏,极大地增加了浮空艇的使用寿命与复用次数。
“鲸”是指浮空艇的外形。设计人员参考鲸鱼生物外形采用了仿生学设计,整体呈流线型,这样做的目的是寻求一个小风阻和高稳定性二者平衡的气动外形,在浮空艇升空过程中减小空气阻力的扰动与影响。此外,和鲸鱼用肺呼吸相似,浮空艇内部由两个气囊组成,分别填充氦气与空气,氦气囊负责提供升力,而空气囊则起着“肺”的作用,在浮空艇的升降过程中保持浮空艇的外形与压力平衡。在浮空艇升空过程时,环境压力和温度都在不断降低,需要通过风机阀门等元器件调节空气囊,进行频繁的排气,浮空艇的降落则是此过程的逆过程,会对空气囊进行频繁的打气,升降过程恰似肺在不停呼出与吸入的过程。
测控分系统,是“大白鲸”的“千里眼”“顺风耳”。获取浮空艇的实时状态与信息,控制整个浮空艇系统完成科学观测,需要用到相关的测控设备,以实时获取不同高度剖面的风速、气温、湿度等环境信息,获取浮空艇的升空高度、升速、压力、俯仰角、系缆拉力等关键信息,让研究人员可以实时判断浮空艇的正常状态,辅助地面指挥决策。
供配电分系统,是“大白鲸”的“定海神针”。浮空艇上载有能源舱,里面包含了可耐低温低气压的高压锂电池组、能源管理器及配电器等设备,负责为整个浮空艇系统提供能源支持,同时满足不同设备、仪器、传感器的不同功率/电压要求,可实现升空观测锂电池组供电、地面锚泊时地面高压供电的双模式供电无缝切换,能源供给也如同定海神针一般,持续支持着整个浮空艇系统的运转。

地面锚泊分系统,是“大白鲸”的“五指山”。地面锚泊分系统主要由特种锚泊车及特种系缆组成。锚泊车通过鼻塔及两个侧臂对浮空艇完成三点约束,使浮空艇可以在地面停泊。特种系缆一侧连接艇体主承力结构件,缆的另一侧连接至地面特种锚泊车辆容缆滚筒,特种系缆除了承力作用,内部还布置有细电缆,用于将浮空艇升空过程中静电接地释放,保卫系统安全。此外,还可根据需要,在系缆中布置光纤,通过光纤传输实时通信数据。对地面锚泊车进行操作,完成系缆的收放,即可实现浮空艇的升空及下降过程。浮空艇在地面锚泊时,浮空艇及锚泊车辆上的平台可以随风向变化而转动,使浮空艇的艇首及锚泊车鼻塔总是处于迎风的小风阻状态。
载荷分系统,是“大白鲸”上的“多面手”。浮空艇平台系统本身对载荷并无限制,可以搭载各种类型的载荷设备。在本次珠峰科考中,浮空艇搭载水汽稳定同位素分析仪、黑碳、甲烷、臭氧等多种分析仪器与设备,获取了第一手珠峰地区大气水汽传输和温室气体垂直变化过程关键科学数据。

浮空艇“家族”能满足科学观测的不同需求

不仅在珠峰,浮空艇家族活跃在很多科研项目中:由中国科学院空天信息创新研究院(以下简称“空天院”)浮空器团队研发的系留气球(浮空艇)曾在可可西里西区观测藏羚羊等野生动物活动;曾在内蒙古地区开展草畜资源状态监测,为草畜平衡模型构建,创建生态草牧业科技体系提供平台支持;曾在东海海域开展“智慧海洋”应急通信试验网络项目船载系统的综合集成演示验证等,都取得了良好的效果。

浮空艇作为理想的科学观测平台,拥有众多优点和广阔的应用潜力。空天院浮空器团队深耕系留气球(浮空艇)领域数十年,发展至今,形成了从小到大全规格、系列化、矩阵式的系留气球产品。

首先,系留气球根据实际需要,升空高度可从几十米到数公里,覆盖范围非常广泛,且在升降过程中,可以实时采集获取不同高度剖面的数据。

其次,可携带较大总质量载荷(从几十千克至吨级载荷),在目标高度实现长时间驻留(在气象及空域允许的情况下,可实现以天乃至月计的驻留观测),抗风能力强,对雨雪天气敏感度小,对载荷限制极小,是绝佳的大载重长驻空的观测科考及应用平台。

再次,系留气球可以实现原位测量,无污染,一次充气后可实现循环复用,效费比(效果和费用的比值)高,地面配套及控制需要人数少,具有绿色、经济、可复用、易于维护操作的优点,是绿色经济的无人长时驻空平台。

应该说,系留气球是一个基础的平台服务,它能发挥多大的作用,更取决于载荷的功能应用和平台-载荷的配合能力,空天院自研的系留气球平台,搭载不同载荷,已成功应用在了科学观测、应急通信、草原生态与畜牧平衡观测、海洋中继通信、对地观测及低空防务等典型场景中。

如今,空天院团队研制的系留气球平台,从在通用性设计上对应用地理区域进行针对性优化,已在城市、平原、高原、草原、沙漠、海洋、岛礁等多种典型地理区域开展过科学试验与示范应用,取得了突出的试验成果与亮眼的科考成绩在对地观测、气象探测、灾害监测、防务监视、应急通信、中继通信、雷达探测、城市及乡村观测、科学考察等广阔的应用领域,系留气球平台已初露峥嵘,未来可期。

以上内容转载自《光明日报》( 2022年06月23日 16版)。作者何泽青、乔涛、陈其。

【陕亮十年(三)丨绿水青山的陕西从画中“走出来”】#陕亮十年# 憨态可掬的熊猫、美丽的朱鹮、毛色漂亮的羚牛,以及蓝羽毛的孔雀……秦岭中的珍稀动植物在这里被救护、饲养、繁育。这里是秦岭四宝科学公园,位于西安市周至县楼观台西边,不仅是陕西省唯一的珍稀野生动物保护基地,也是展示陕西省生态文明建设成果、展示秦岭生物多样性、展示陕西省野生动物保护成果的重要窗口。#大美陕西#

良好的生态环境是最普惠的民生福祉,也是对大自然最好的“回报”。近年来,陕西省从大气环境、水文环境、森林生态保护、珍稀动植物保护等多方面下功夫,持之以恒让生态环境质量迈上新台阶,人与自然越发和谐共生,城市与山野更加“健康”。

书写“生态答卷”

陕西实现“由黄到绿”的历史性转变

保护生态环境是利国利民的民族大计。陕西拥有广袤的黄土高原,且有黄河在侧伴流,其生态环境的保护关系到国家生态环境治理大局;巍巍秦岭是我国的顶级生态空间和生态屏障,被誉为“中华绿芯”和“世界物种基因库”,书写好“生态答卷”,陕西责无旁贷。

为做好秦岭的生态“卫士”,陕西省始终把秦岭生态保护作为各项工作的重中之重。十年中,陕西省通过野生动植物保护行动、生态空间修复行动等,持续推进天然林保护、退耕还林还草、自然保护地建设等保护工程,推动秦岭生态空间和生态系统质量不断提升。

“十三五”期间,陕西完成营造林3694.5万亩,2021年森林覆盖率达到46.39%,较2011年提高了4.99%。去年一年,陕西完成营造林842.3万亩,居全国前列,森林生态环境日新月异,全省实现“由黄到绿”的历史性转变。

“要想保护好野生秦岭大熊猫,就得守护好它赖以生存的竹林。”陕西长青国家级自然保护区巡护员胡万新看护的野生秦岭大熊猫冬天会在海拔1800米以下的地方以巴山木竹为食,夏天会在海拔2100米左右的地方以秦岭箭竹为食。

近年来,陕西省开展了对乱搭乱建、乱砍乱伐、乱采乱挖、乱排乱放、乱捕乱猎等“五乱”问题的整治,使生态环境得以休养生息,熊猫、朱鹮、金钱豹、林麝等野生珍稀动物种群大幅增长,一个个撒欢、打闹、繁衍生息,好不快活。

十年来,陕西省不断加强秦岭生态环境保护工作,秦岭范围建成各类保护地116处,总面积0.92万平方公里,占秦岭陕西段总面积的15.81%,有效保护了全省75%以上的自然生态系统类型、70%以上的野生动植物种群类型。陕西以国家公园为主体、自然保护区为基础、各类自然公园为补充的自然保护体系初具雏形,为秦岭地区生物生存提供了良好的栖息地。

目前,秦岭地区有种子植物3883种、陆生脊椎动物587种,其中国家重点保护野生植物22种、重点保护野生动物119种。

而在陕北地区,水土流失与土地荒漠化严重,是陕西生态环境保护的一块“顽疾”。

“顽疾”就要用顽强致胜,一代代治沙人通过在沙区引水拉沙造良田,植树造林防风沙;在丘陵沟壑区沟里打坝蓄水,山上兴修梯田,坡面造林绿化;在盐碱滩地挖沟排水、拉沙压碱、改良土壤,经过一代代人的顽强治理,如今,一片林海,长风吹过,昔日茫茫流沙已然消失不见,陕北大地逐渐点亮了绿色奇迹。

党的十八大以来,陕西年均治理沙化土地105万亩。全国第五次沙化土地监测显示,陕西沙化土地年均减少17.8万亩,860万亩流动沙地基本得到固定半固定,沙区植被平均盖度达到60%。陕西已成为我国第一个完全“拴牢”流动沙地的省份,绿色版图向北推移400公里,治沙造林取得巨大成功。

水是生命之源,母亲河黄河全长约5464公里,呈“几”字形流经青海、四川、甘肃、陕西等9个省(自治区)。长期以来,黄河流域的生态保护与治理受多方关注。

“一瓢河水半瓢沙”曾是黄河的真实写照。为了保护好这条中华民族的母亲河,陕西从水土保持、林草保护修复、水污染治理等方面入手,系统推进黄河流域生态保护和高质量发展。

十年来,陕西累计治理水土流失面积5.7万平方公里,建成淤地坝3.4万座,累计拦泥58亿吨,年均入黄泥沙量由8.3亿吨减少到2.68亿吨。此外,截至2021年,黄河干流6个国控断面均达到Ⅲ类以上,出陕断面水质达到Ⅱ类优,渭河干流水质良好,延河、无定河等部分支流水质得到改善。如今,打开陕西省的卫星地图,719公里长的黄河陕西段,与曾经相比,已有了翻天覆地的变化。

近十年来,陕西省生态环境持续向好,山川河湖生态休憩区的环境有了历史性的好转,珍稀动植物保护案例享誉世界。全省上下以“绿水青山就是金山银山”的奋斗决心,为谱写陕西高质量发展新篇章奠定了坚实的生态环境基础。#飞阅新三秦##从空中看奋进中的陕西有多震撼#

绿色宜居

生态文明之光照亮城乡建设之路

春光,浪漫且迷人,却又短暂而宝贵。2022年的春天,露营经济火了。备齐露营装备,公园、郊外、城市任意一角的户外,都可以成为目的地。露营帐篷下支起的是属于陕西人的“诗和远方”。

在西安,无论是选择在“家门口”的杜邑遗址公园、灞河西岸滨河公园等地进行公园式露营,还是选择在高山草甸、长安唐村等城市近郊处的户外精致露营,作为当下新潮的生活方式之一,露营不断吸引着更多人参与其中,享受春日野趣。

根据相关数据,截至今年4月底,陕西有露营相关企业3603家,排在全国各省份第5位。尤其是西安市,1915家企业让其成为国内露营相关企业第二多的城市。而这一切,都要得益于陕西近十年的高质量城市生态治理。

十年来,陕西省聚焦打好蓝天、碧水、净土保卫战,全省各城市生态环境质量实现突破性改善。2021年,陕西10个国考城市PM2.5平均浓度35微克/立方米,同比下降14.6%。优良天数平均295.4天。全省111个水质国控断面中,Ⅰ~Ⅲ类断面101个,占91%,优于全国平均水平6.1个百分点。

一座座公园拔地而起,一处处湿地被纳入保护范围,这些都不断刷新着陕西城市的底色,提高着陕西城市的“颜值”。十年间,随着城市生态的不断提升,陕西真正实现了“城市,让生活更美好”。

“青山抱水避喧嚣,龙瀑飞花居终南。”位于秦岭山脉脚下的抱龙村,是一个始建于唐贞观年间的古老村庄。抱龙村紧邻的抱龙峪,不仅有着风光无限的山水自然环境,还有着“抱龙出峪”的历史文化底蕴,令往来游客流连忘返、络绎不绝。但是,以前的抱龙村环境条件落后,很多村民选择离开家,到城市打工生活。近年来,在坚守秦岭生态底线的前提下,抱龙村探索了一条生态保护与乡村发展和谐并进的乡村振兴之路。

自建设花园乡村以来,抱龙村的环境发生了翻天覆地的变化。凭借得天独厚的山水风光,几年内就吸引了10多家民宿产业投资落地,村民们也纷纷开起了民宿、农家乐。有了这股生态建设发展的力量,不仅村子环境变好了,农民也吃上稳定的“生态饭”,“口袋”鼓了起来,“精神”富了起来,一幅美丽新农村画卷徐徐展开。

随着我国生态文明建设的不断推进,生态文明理念深入人心。以生态文明建设推动乡村振兴,对于实现农村生态的现代化转型、全面推进乡村振兴具有重要意义。

为了实现农业高质高效、乡村宜业宜居,擦亮绿水青山这张致富“金名片”,十年来,陕西省积极行动提升三秦乡村“颜值”。截至2021年底,陕西省累计完成5541个行政村(集中安置点)的生活污水治理任务,治理率达32%,完成45处农村黑臭水体整治任务。此外,自2016年启动净土保卫战以来,陕西省完成了全省农用地土壤污染状况详查和重点行业企业用地调查,摸清了全省土壤污染状况,均已全部实施安全利用措施。

现如今,三秦大地上的万千乡村通过生态环境整治美了“颜值”,添了“气质”,老乡的生活也更美好了。生态环境的提升唤醒了沉睡的乡村,更激活了乡村振兴的“一池春水”。

呵护青山绿水“不老容颜”,搭建城乡发展“生态骨架”。这是 “绿水青山就是金山银山”陕西实践,也是为了让人民生活在天更蓝、山更绿、水更清的优美环境之中。如今,公园城市、花园乡村等理念也正在变为现实,一个山清水秀、地绿天蓝的生态三秦画卷即将徐徐展开。https://t.cn/A6XpYioH

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在西安,无论是选择在“家门口”的杜邑遗址公园、灞河西岸滨河公园等地进行公园式露营,还是选择在高山草甸、长安唐村等城市近郊处的户外精致露营,作为当下新潮的生活方式之一,露营不断吸引着更多人参与其中,享受春日野趣。

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一座座公园拔地而起,一处处湿地被纳入保护范围,这些都不断刷新着陕西城市的底色,提高着陕西城市的“颜值”。十年间,随着城市生态的不断提升,陕西真正实现了“城市,让生活更美好”。

“青山抱水避喧嚣,龙瀑飞花居终南。”位于秦岭山脉脚下的抱龙村,是一个始建于唐贞观年间的古老村庄。抱龙村紧邻的抱龙峪,不仅有着风光无限的山水自然环境,还有着“抱龙出峪”的历史文化底蕴,令往来游客流连忘返、络绎不绝。但是,以前的抱龙村环境条件落后,很多村民选择离开家,到城市打工生活。近年来,在坚守秦岭生态底线的前提下,抱龙村探索了一条生态保护与乡村发展和谐并进的乡村振兴之路。

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随着我国生态文明建设的不断推进,生态文明理念深入人心。以生态文明建设推动乡村振兴,对于实现农村生态的现代化转型、全面推进乡村振兴具有重要意义。

为了实现农业高质高效、乡村宜业宜居,擦亮绿水青山这张致富“金名片”,十年来,陕西省积极行动提升三秦乡村“颜值”。截至2021年底,陕西省累计完成5541个行政村(集中安置点)的生活污水治理任务,治理率达32%,完成45处农村黑臭水体整治任务。此外,自2016年启动净土保卫战以来,陕西省完成了全省农用地土壤污染状况详查和重点行业企业用地调查,摸清了全省土壤污染状况,均已全部实施安全利用措施。

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