“今年我们将发放15个高空科学气球！在年度发放次数上首次超越NASA！” 虽然近两年我国的高空气球任务逐年增加，但是对比2017年的4个和2018年的5个，今年想要完成15个发放简直是“不可能完成的任务”。

1月30日 在青海画了一个圈

年初在制定“鸿鹄”专项2019年度飞行计划的时候，在场的每个人觉得这15个球几乎就是一个不可能完成的任务。

2019年度飞行策划会上讨论发放地点 （摄影：黄宛宁）

为保证人力物力不间断，高空气球发放场的选址是很有讲究的：首先，发射场的周边地区不会是人口稠密地区，也不能有重要的安全或防护设施（例如高压线，风电场，核电站，军事基地……）；不得妨碍空中交通管制，必须远离任何国际边界；在气球的水平飞行路径下面也不能有大城市或者重要的设施；同时必须可以从飞行降落区安全可靠地回收球载设备。其次，交通运输必须方便，项目涉及到的人员、设备、材料以及氦气需要方便地运送到发放场。第三，在试验期间地面的风力应该比较弱，并且风向改变不大。

高空气球飞行的高度在航线之上，但是发放时会穿越航线

综上所述，结合我们科学任务在青藏高原观测需求，总指挥大笔一挥，在地图上画了一个圈，目标锁定青海海西州德令哈市大柴旦镇。地广人稀自不用说，周围方圆300km只有一条国际航线，这对于目前在国内进行的高空科学气球的飞行来说，已经是非常理想的条件了。

7月9日 鸿鹄试验队正式进场

璀璨银河下灯火通明的试验营地 （摄影：祝榕辰）

发放点青海海西州德令哈市大柴旦镇海拔高达3100米，但对于我们很多上过珠峰大本营的试验队员，可以说如履平地。

高空科学气球发放需要天时（气象窗口）地利（空域窗口）人和（设备状态）缺一不可，其中最难掌控的就是天时。

高空科学气球本身无动力，其运动受风场驱动，对气象条件，尤其是风场的要求非常高。所以气象保障和轨迹预测的工作对于高空科学气球的发放窗口决策至关重要。

发放当天，风速要求尽量小，并且在地面以及300米以下的低空，风向需要相同且稳定（如果地面和低空的风向相反，风就会对气球产生类似于剪刀的剪切效果）。此外，气球需要上升并进入一个称为准零风层的高度，这个高度的风向比较稳定，风速较小，并且在此高度上下存在东西风向的切变。高空科学气球如果要进行长航时的飞行，需要找到准零风层，在此高度驻留，并通过高度调节来寻找需要的风向。但准零风层的高度是随着位置和季节而动态变化的。

空中鸟瞰试验营地 （摄影：黄宛宁）

7月20日至24日 抢时间抓气象窗口

高空气球的发放流程一般是这样的：设备准备完毕进入待飞-->高空风场合适-->申报空域-->空域批准-->观察地面风速-->如果风速较小-->进场准备发放。

高空气球发放准备流程

空域是指各种航空器运行的空间区域，属于宝贵的国家资源。由于高空科学气球的飞行高度会跨过航线，所以每次飞行都必须申请空域。空域除了空间上的限制，也会有时间上的要求。比如这次空管部门给我们划定了允许飞行的空间范围之后，还要求我们每次飞行都要提前申报，大部分限定的发放时间都是在夜间。当然也出现过万事俱备只欠空域，而最终未获批准的情况。

动态发放设备准备就绪 （摄影：屈维）

可以看出，空域申报成功后地面风速是个决定因素。所以在微信群里就出现了这样令人费解的通知：“明天空域已批，大家注意群里通知，若届时地面风小，1:30出发；若地面风大，3点出发。”既然地面风大，那3点出发干啥呢？到场地坐等地面风速减小！为了能够保证在天亮之前发放，我们必须凌晨进入试验场地，所以枕戈待旦就成了家常便饭。凌晨2到5点，营运客车禁止上路，所以必须赶在1:30进场。但是到了凌晨3点钟，40多人的团队只能由一辆小轿车往返接送。

好在大柴旦这块福地，在一个天气过程（某种天气及其相应的天气系统发生发展的演变过程，是天气分析和天气预报需考虑的重要步骤，例如大风降温天气过程）过后，会连续出现几天比较好的气象窗口，掌握了这个规律，我们所要做的就是加班加点并行开展几类平台的联调测试工作，让设备早日进入待飞状态，一旦气象窗口合适，则抓住机会连续进行发放。

在7月20日至7月24日，试验队连续5天凌晨2点进场，实现了窗口期多个气球的连续发放。

8月28日 与NASA赛跑 共同聚焦空间天气

8月28日双球伴飞观测地磁暴 （摄影：黄宛宁）

8月底的时候，我们的一个飞行试验是通过临近空间原位探测太阳冕洞爆发引发的地磁暴现象，研究空间天气现象对人类空间活动的影响。我们关注到同时期NASA也有一个高空球载日冕仪（BITSE：the balloon-borne investigation of Temperature and Speed of Electrons in the corona）的项目准备发放，通过测量日冕的密度，电子速度和温度，来揭示太阳风暴的成因，而太阳风暴就是一种典型的空间天气现象（作者注：太阳上出现的耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动，给地球磁层，电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气）。

空间天气活动示意图

因为太阳冕洞活动有活动周期，我们和NASA都瞄准了8月28号左右这个窗口。我们在8月28日连续发放了两个高空气球搭载了2类9台科学仪器在临近空间高度进行原位探测，NASA虽然在8月28号也做好了发放准备，但是因为地面风的原因，迟迟没有发放成功。9月1日和9月4日，我们又分别发放了一次高空气球搭载不同的载荷对太阳冕洞活动的平静期进行了对比观测，而NASA一直等到9月18日才获得一个理想的地面气象窗口，最终发放成功。大柴旦地区极佳的地面风场环境为我们连续进行发放创造了气象条件。

9月12日 赶在中秋节回家

试验成功的喜悦溢于言表（摄影：黄宛宁）

从7月9日我们鸿鹄试验队正式进场，到9月12日，当我们坐上返京的飞机，回家过中秋节时，我们在青海交出了66天发放12个高空气球，总飞行时间超过168小时的成绩单。由空天院研制的高空气球平台单次最长飞行时间达到了30小时53分，创造了高空科学气球在国内空域飞行时长的新纪录，并首次实施了不同高度的受控飞行和大范围迂回，尝试了飞行剖面和落点的精准控制，成功实施了大范围飞行过程中，多点探空数据对飞行控制的辅助决策支撑，以及长航时远距离飞行中的接力测控技术。在与NASA  BITSE项目赛跑开展空间天气研究的地磁暴观测飞行试验中，我们在国内首次使用双球同时伴飞实现针对同一科学目标的多任务载荷搭载飞行（两大类9个），开创了多任务载荷高空气球飞行新模式。采用了两种不同方式的地面发放支持系统并行操作，优化了发放流程；有效降低了地面操作人数。采用了两地四站双模式测控链路并行工作方式，实现了两个高空科学气球全时段全天候无依托跟踪测控。

作者简介：

    黄宛宁，中国科学院空天信息创新研究院浮空器系统研究发展中心高级工程师，主要从事浮空器遥测遥控和载荷应用等研究工作。