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。

#千问千寻大运河# 武清区田水铺村:萝卜大棚里,长出了一条致富路

  12月下旬,沿着武香路一路向北,刚过廊良公路,就能看到道路两侧一排排的温室大棚,小货车变成临时销售点,稀疏的分散在东侧的路边,一个个立着的招牌上,打着“田水铺”、“萝卜”等关键词,过往的司机,不时会停下脚步,下车购买。

  现在,正是天津市武清区大良镇田水铺村青萝卜丰收的季节,家家户户都在自家的大棚中,忙着采摘、销售、打包……38年间,这个靠近北运河东岸,只有200多户的小村庄,靠着种植萝卜,迅速崛起,从一个人均年收入只有2千元左右的贫困村,一跃成为了人均年收入6万元的富裕村。

2月19日,在天津武清大良镇田水铺村菠菜大棚内,农民戴着口罩菠菜幼苗间,有序的忙碌着。

  从武香路转向田营路,穿过“田水铺村”的铁牌坊,一条敢闯敢拼的致富路,也在一个个萝卜大棚间徐徐铺开。

  贫困村找到了致富经

  走进田水铺村,映入眼帘的是干净整洁的街道,纵横交错的柏油路,通入了挨家挨户,更一路绵延至田间地头。

  冬日午后,村民们陆续骑着农用三轮车,拉着工具,穿过街巷,直奔自己的萝卜大棚,在很多村庄已经进入了农闲的时候,这里却是一派忙碌的景象。

  现在的田水铺村,因种植萝卜而远近闻名,但原来却是个贫困村。

  “我们村原来主要是种植大田,收益不高。”回想起过去的日子,60岁的村民屈凤霞说,“刚种萝卜那会,一口人一年差不多有2000块钱的收入,那都觉得不少了,能有现在这样的生活,真是不敢想。”

  田水铺村种植萝卜的历史,要从1983年说起。田水铺村党支部书记、主任张书义说,那一年,田水铺村开始了家庭联产承包责任制,有村民尝试着种植萝卜,收益确实比大田要好一些,于是陆续有人加入到种植萝卜的队伍中。

  2003年,还是村民代表的张书义被选举为村长。那时候的他就在想,一定要为村民干点实事,“那会种萝卜没有大棚,都是露地萝卜,口味一般,收价4毛钱一斤,一亩地能有2000块钱的收入,我们村人均2亩地,村民们就很高兴很知足了。”

  2006年,村民们选举张书义担任村党支部书记。也是同一年,田水铺村的萝卜搞起了创新。

  张书义提议建棚种萝卜,然后晚收延后上市,村民们开始心里打鼓,但事实证明,张书义的判断没有错,“萝卜收价一下从4毛变成了8毛,拿出去后,以2块5一斤的价格,全都卖了。”

  拔地而起的萝卜大棚

  2007年,村民们纷纷加入其中,延后上市的青萝卜,让村民们看到了更大的希望。

  也是2007年,国家农业部实施“一村一品”示范村工程,田水铺村被认定为“一村一品”青萝卜生产专业村,得到了资金和政策的支持。

  “有了这些资金,我们开始大面积的扣大棚,还成立了蔬菜专业合作社,帮助村民们选种,帮他们提升技术、寻找销路。”张书义说,那之后,田水铺村的萝卜一路飘红。

  2009年,萝卜的收价涨到1.5元每斤,打包成箱后,售价能达到每斤7元钱。一直到2012年,田水铺村大棚的萝卜每斤收价达到了1.8元。

  但田水铺村并没有满足,村两委班子积极四处奔走考察,希望将萝卜做出更大的文章来。

  2015年,田水铺村与天津蔬菜研究所达成技术合作关系,成功引进了名为“七星”的新品种。

  “这个萝卜口感甜脆,品质好,产量也高,一下就打动了我们。”张书义说,当年,在党员们的带头种植下,田水铺村七星萝卜种植面积,达到了780余亩,“村民们看着销量好,单价高,也都开始陆续种植,到现在,我们村有1700亩地种植萝卜。周边的村,也都开始陆陆续续的跟着种起了萝卜。”

  2018年,武清召开“小兔拔拔”水果萝卜品牌发布会,品牌效应再一次为田水铺村青萝卜的身价加码。

  在田水铺村一条武香路之隔的南侧,整齐的排列着一排排,拥有着小型气象站、物联网监控、滴灌等设备的现代化智能大棚,这是“小兔拔拔”的标准化生产基地,占地1530亩。

  现在,“小兔拔拔”水果萝卜,已经成功入驻超市近400家,其中包括盒马鲜生、京东7FRESH、物美超市,永旺超市等,线上线下的大型平台和连锁超市。

  站在基地的大棚里,张书义告诉记者,“‘小兔拔拔’品牌发布会之后,田水铺村连同周边其他村庄的萝卜,收价平均涨了1块钱,村民们都高兴极了。”

  如今,田水铺的萝卜,不仅在国内很多省市进行销售,还出口到了韩国、日本等国家。

  生活富裕的有了底气

  目前,田水铺村有246户村民,76%以上的村民家在城区买了楼房。

  屈凤霞家不仅买了新房,2019年还在村里的老房子前,新建了一处房。屈凤霞说,现在经济条件好了,精神头也特别足,忙的时候,她也会不管白天黑天的,跟着去大棚帮帮忙,虽然有时候会辛苦一些,但感觉每天都过得特别幸福、快乐。

  这个季节,田水铺村的大棚里,经常能够看到村民们忙碌的身影。

  12月23日,从早晨9点多,进入大棚坐定,打开3台手机,开始直播,一直到晚上4点多,28岁的丁淑曼跟10几万粉丝说再见后,关闭了直播间,起身活动了一下筋骨。

  这一天,她的直播销量有200多箱,“其实现在还不算忙,最忙的时候,是快过年的那些日子,有时候要直播到半夜,一天能卖600多箱,还得雇人帮着装箱打包。”丁淑曼笑着说,大学毕业后,她跟着爱人一起回到了田水铺村,开始种植萝卜。

  这是她做直播销售自家萝卜的第4年,萝卜每年可以从10月下旬,一直卖到春节之后。

  记者在丁淑曼的萝卜大棚里停留的1个小时里,丁淑曼的手机不时的响起,不是微信顾客的新订单,就是打电话询问地址,打算亲自来大棚采摘的顾客。

  2020年,丁淑曼家20多亩地的萝卜,纯利润达到了50万元左右,“我家还不是卖的最好的,比我们卖的还好的,有的是。”

  从大城市回到农村种地,在丁淑曼看来并非难事。丁淑曼说,现在农村发展的都特别好,给年轻人的机会也多,回村发展比在城市打拼赚得更多,虽然有时很辛苦,但却让她的生活更有底气。

  越来越好的乡村发展

  从2003年村集体收入只有三四万元,到2020年村集体收入30万元,30%以上的村民年收入超过10万元,全村人平均年收入6万元。田水铺村的村民们,走向了富裕。

  2014年,在帮扶组的支持下,村内硬化了胡同里巷及主干道路6500平方米,修建排污渠400余米,建设了1500平方米的多功能健身广场,还栽种了不同种类的观赏苗木。2020年,田水铺村又对村内的厕所、地下污水管网,进行了统一改造。

  “下一步,我们要对乡村进行更大的提升改造,让我们的村容村貌变得更好。”张书义说,未来,田水铺村要筹划做一些与萝卜有关的深加工产品,然后建造民宿,让旅游业与农业、产业相结合,增加村集体和村民们的收入,“我们的目标是,把田水铺村打造成集农业、产业、旅游业于一体的,新农村的典范,努力实现我们的乡村振兴梦。”

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