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品：科普中国
制作：黄宛宁 张泰华 中国科学院空天信息研究院
监制：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，旅游景点附近贩卖气球玩具随处可见。
玩具气球（图片来源：http://tieba.baidu.com/p/6139525060）
稍微进阶版的就是利用气球能飞上天的原理载物。看过迪士尼动画电影《飞屋环游记》的观众都对这个画面印象深刻，主人公老爷爷用一大堆玩具气球绑住自己的房子，实现了飞天的梦想。
《飞屋环游记》剧照（图片来源https://item.jd.com/26654983774.htm
这样的飞天耗费气球有点多，实现起来比较麻烦。实际上用一个不太大的热气球就可以实现这样的功能。"我想要带你去浪漫的土耳其，然后一起去东京和巴黎……"每当听到这句歌词，都让人忍不住想要去土耳其"浪漫"一下，感受乘坐热气球飞行的魅力。
"浪漫的土耳其"的热气球（图片来源：veer图库）
以上我们介绍的都是普通人对气球的玩法。那科学家玩起气球来又是什么样的呢？
科学家们怎么玩气球？
科学家常玩的一种气球叫做系留气球。相比于娱乐，系留气球更注重科学作用，在科学考察，环境监测中正发挥着不可替代的重要作用。
系留气球，顾名思义，就是指气球的下端有一根缆绳栓系着。乍一看，这不就是放风筝嘛。特别是最近出现的大型风筝还真有向充气型发展的趋势，不过它们不是像气球一样填充氦气或者氢气，而是填充空气。
△大型充气风筝（图片来源：https://mp.weixin.qq.com/s? src=11×tamp=1560260944&ver=1662&signature=Zhi4GIxz1yzpCdypVnX-Ipsd1ggFtPNuwbL-LZJlbC*kvb9JSqz-p4KS5AQd9HxwTmMtDzEy6x5tFwUi07-AnUDZ3n7fACRwjqrSM38K3uIPfnmgZB4eYSDq8aLgoqXY&new=1）
有同学可能会问，我们平时玩的玩具气球也有一根绳子拴着，那它们属于系留气球吗？其实，当我们用手牵着气球的绳子的时候，可以勉强称其为系留气球；一旦我们松开了手，气球飞向天空，那就成了自由气球。
当我们牵着玩具气球的绳子时它是系留气球（图片来源：veer图库）
当我们放开玩具气球的绳子时它就是自由气球（图片来源：veer图库）
造型不一样，作用大不同
当然，这只是为了解释名字方便。科学家玩的系留气球，它下面系着的缆绳不仅仅起到拽着气球的作用，其实它是一根很有技术含量的缆绳。这根缆绳除了含有承受拉力的纤维，还有电缆和光纤，分别起到供电和通信的作用。为了达到气球升空的要求，在满足受力、输电和光纤通信需求的前提下，还要做到重量尽可能轻。
这根缆绳学名叫做光电复合缆。有了它，系留气球上的设备就可以通过系缆输送电，实现地面电源供电，这样设备就几乎不受能源的限制，可以发挥它最大的优势：长时间定点定高驻空。
△光电复合缆结构（图片来源：http://shop.ebdoor.com/Shops/3530739/Products/38045131.aspx）
（形式跟上图这个类似，但是上图是地面用的光电复合缆，不需要考虑减重）
这个气球升到了7003米，创造了世界纪录！
2019年5月9日起，我国自主研制的"极目一号"系留气球在西藏第二大湖纳木错开展了多次高空观测。6月1日早上5点40分，系留气球上升到海拔6761米，顺利完成了第7次高空观测。这次系留气球高空观测任务，平均升空海拔近6800米，其中在5月23日凌晨6点01分，"极目一号"创造了同类系留气球高空科学观测的世界纪录，上升到7003米。
中科院院士、第二次青藏科考首席科学家姚檀栋这样介绍此次高空观测创造的世界纪录："'极目一号'系留气球能够上到7千米，去测大气中的水汽稳定同位素，这在世界上是第一次，在青藏高原的观测则有着更特殊的意义。"
"这个地区是西风和季风相互作用的地区，而纳木错地区又是西风和季风相互作用的一个转换地区。之前我们对于整个亚洲水塔（"亚洲水塔"指的是以青藏高原为主体的世界第三极，有众多的高山山脉，分布着除南北极之外最大的冰川群，滋润了数量众多的河流和湖泊。）的水汽来源，对季风和西风起多大作用，都不是很清楚。通过将系留气球至少上升到7千米观测出的大气中水汽稳定同位素值，我们发现这种水汽的输送是从东南方向来的。这实际上超出传统上我们对印度季风输送高度的认识，在科学上肯定是新的发现。"
系留气球在纳木错地区进行科考（图片来源：中科院空天信息研究院浮空器研发中心张泰华摄影）
系留气球最适合用于高原高空气象观测
系留气球给青藏科考带来的技术突破是显而易见的。
之前，在高原地区的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，使用牦牛将科研仪器驮到高原不同的高度进行观测，这种方法受山地地形所限，所获取的数据无论是时间和空间上都比较分散。
而且使用"肩扛牛驼"的方法，即使将仪器设备带到较高海拔地点，仍然无法消除地表影响，以至于无法获得相关海拔高度水汽同位素和黑炭等大气成分的真实含量和变化，地面非接触测量设备的测量误差远远超出了相关组分的变化幅度。据说，牦牛到了海拔6500米，再往高处就"打死也不走了"！
牦牛表示：这个锅我不背……（图片来源：veer图库）
同是高空观察系留气球行直升机为啥不行？
系留气球本次主要用于垂直剖面气象观测，即在同一地点不同高度分别驻留一段时间，采集气象参数，分析气象参数在该点不同高度的变化趋势。
对于这类任务，理论上我们也可以使用直升机进行观测。但是目前可以使用的高原型直升机表现最好的是军用直18，最大极限升限为9000m。但如果要在青藏
高原地区进行高空气象观测，必须搭载超过100公斤的科学仪器，而且要长时间定点悬停采集数据，这对直升机来说要求就太高了。
△直18（AC313军用版）（图片来源http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.）
直升机飞行高度有限和它特殊的飞行方式有关，主要依靠桨叶在发动机的工作带动下旋转向下压缩空气而获得升力。当产生的升力大于直升机总重时，直升机就可以成功起飞。而高原地区海拔高，空气稀薄，此时直升机桨叶向下压缩空气时的效率将会下降，直升机飞行性能自然也明显下降。
不使用直升机进行科考观测，更重要的原因在于直升机的工作方式对周围气流产生了较大的扰动，这样就会干扰到气象数据的采集。而使用系留气球观测，本身没有发动机之类的动力，对周围环境的影响几乎可以忽略不计，特别适合高空垂直剖面气象参数观测的任务。
系留气球和船一样会"停泊"
系留气球是依靠浮力升空的，载重要求越高，升空高度越高，系留气球的体积就越大。
看到这里大家肯定会有一个疑问：这么大个气球会不会被风吹跑？
△（图片来源：http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.）
答案是当然不会！
除了主系缆有很高的安全系数外，系留气球系统的地面锚泊设施也起了重要的作用。
大型船舶的船锚（图片来源：veer图库）
锚泊这个词是从船舶专业的锚泊一词发展过来的。系留气球锚泊设施的主要作用也和船舶上的锚泊设施类似，虽然形式上有所区别，但是两者作用一致，都是起稳定固定作用的。
前者是为了固定气球球体不被风吹跑，后者是为了稳定固定船体；前者的系缆长度可以通过主绞盘收放，后者锚链的长度可以根据水深需要收放调节。
系留气球有两个状态，系留状态和锚泊状态。
系留状态可以看作是它的工作状态，气球只被主系缆拽着，停留在需要的高度，这个时候气球上的仪器设备就可以开始工作了。
系留状态的系留气球（图片来源：中科院空天信息研究院浮空器研发中心屈维摄影）
而锚泊状态可以视为待机状态，气球收回到锚泊平台上，由头部的鼻锥和两侧系索三点共同约束，这时气球处于一个抗风能力更好的状态，此时气球上的科学仪器会关机，仅留有球体压力控制的设备正常工作。
△系留气球处于锚泊状态（头部鼻锥和两侧系索，共三点约束）（图片来源：中科院空天信息研究院浮空器研发中心祝榕辰摄影）
而且锚泊设施上有一个回转平台，可以由球体带动自由转动，使流线型气球的头部始终对着来风的方向，这样气球所受的风阻相对最小。
（图片来源：中科院空天信息研究院浮空器研发中心屈维摄影）
所以，一旦遇到恶劣天气，操作人员就会将系留气球置于锚泊状态以保证球体的安全。
本次纳木错试验，是中科院空天信息研究院的系留气球第6次在青藏高原地区进行科考作业。未来，我国将完成系统的"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、常态化监测，为科学研究和社会经济发展提供精准数据。
下一步，科考队将利用系留气球继续到青藏高原其他地区进行观测，并有望挑战更高的升空高度。
参考文献：
[1]人民网军事频道.国产直-18直升机首次飞越珠峰 飞行高度达9000米[EB/OL].http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.
[2]黄宛宁, 栗颖思, 周书宇, et al. 现代浮空器军事应用[J]. 科技导报, 2017(15):22-29.
[3]新华社.7003米！我国自主研发的系留浮空器破高度纪录[EB/OL].http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/6153393,2019-5-23.
rl:http://hb.my399.com/html/2015-04/01/content_14325405.htm,id:0 3月31日1时35分，从缅甸曼德勒起飞的全球最大太阳能飞机“阳光动力2号”，在历经20小时29分航行1500公里后，安静降落在重庆江北国际机场。
2015年3月9日，世界上最大的太阳能飞机“阳光动力2号”从阿联酋首都阿布扎比起程，开始太阳能飞机首次环球飞行。整个飞行完全依靠阳光为动力，不使用一滴航空燃料，昼夜不间断地飞行，继续人类的梦想。
在重庆短暂停留之后，“阳光动力2号”还将到达中国另外一个城市南京，并将在那里进行一个月左右的休整，然后飞越太平洋前往美国，继续环球之旅。
夜太美
“阳光动力2号”
星空下飞抵重庆
3月31日1时35分，经过长达20小时29分的飞行，世界最大太阳能飞机“阳光动力2号”以优美姿态穿过星空落地重庆江北国际机场，首次抵达中国。新华社发
贝特朗·皮卡尔
安德烈·波许博格
绝对
主角
“阳光动力2号”太阳能飞机是全球最大的太阳能飞机，是唯一一架长航时、不必耗费一滴燃油便可昼夜连续飞行的太阳能飞机。“阳光动力2号”的翼展达到72米，超过体积最大的商用客机，但重量只有约2300公斤，与一辆家用汽车相当。飞行所需能量完全由太阳能电池提供，轻如鸿羽。这个“阳光大蜻蜓”正承载人类的飞翔梦想，飞越全球，飞向未来。
2014年4月9日正式亮相的“太阳动力”2号是“太阳动力”号的升级版，它超越“太阳动力”号成为全球体积最大的太阳能飞机。它的翼展达72米，堪比波音747－800型客机，重2.3吨，最大飞行高度可达8500米，最高时速为140公里。
2014年6月2日全球最大的太阳能飞机“太阳动力”2号在瑞士西部城市帕耶讷成功首飞。飞行持续1小时45分钟，最高飞行高度为2400米，在飞行过程中飞机各项技术指标正常。
2015年2月26日当地时间2015年2月26日，阿联酋首都阿布扎比，全球最大的太阳能飞机“阳光动力2号”在阿联酋首都阿布扎比上空飞行，为3月开始的环球飞行做准备。
2015年3月两名瑞士探险家驾驶“太阳动力”2号从海湾地区出发，开启环球飞行之旅。
“阳光大蜻蜓”轻如鸿羽承载人类飞翔新梦想
特殊旅程
飞行员要专门练睡觉
白天，飞机“汲取”太阳能并转化为电能，攀升至8000米以上高空飞行；到了晚上，它将逐渐下降到3000米的高度，依靠储存在电池里的多余电能继续飞行。由于飞机没有减压舱，温度落差极大。白天气温最高可达30℃，而到了晚上又可能会降至-30℃。因此，飞行员将穿着指尖和脚尖有保暖设备的特殊服装，以适应温度变化。
“阳光动力2号”的机舱大约为3.8立方米，使得飞行员在休息时可以将座椅放平。座椅下面设有马桶装置，解决了飞行员上厕所的问题。机上设有通话、网络等设备，可随时与地面联络。飞机可以在无人控制的情况下飞行20分钟，为此，两位飞行员专门进行了睡眠训练。“你要把每天晚上睡8个小时的习惯，改变成一天睡10次，每次睡20分钟。”
揭秘“阳光环球之旅”：正在环游世界创造人类历史将可永久飞行
它仅靠太阳能便进行横跨美国的飞行，在很大程度上宣传了太阳能，提高人们对太阳能的关注。它就是瑞士制造的大名鼎鼎的“阳光动力”号太阳能飞机。按照计划，“阳光动力2号”正在上演环球之旅，就此创造历史。
“阳光动力”号是世界上第一架只依靠太阳能电池连续飞行24小时的飞机。没错，我们讨论的是一架可以在夜间飞行的太阳能飞机。“阳光动力”号飞行员表示：“从理论上说，这架飞机可以永远飞下去。”
生生不息飞行探险
伟大的梦想：
以光为动力飞行伙伴和团队：
打造“阳光动力”
这不是一次舒心的旅行，而是一场准备了十几年的冒险。飞翔只为一个愿景：以技术的进步来降低能源消耗，为人类创造一个可持续的未来。
“阳光动力2号”2014年刚刚建成，但这次环球飞行的念头却可以追溯到1999年。项目的发起者贝特朗·皮卡尔出生于探险世家。他的祖父奥古斯特·皮卡尔早在80年前便和助理搭乘自己制造的热气球到达1.6万米高空的大气平流层，创下世界最高的纪录，而他的父亲雅克·皮卡尔则是第一批潜入海底最深处——太平洋西北部的马里亚纳海沟的潜水者之一。皮卡尔说，祖辈父辈上天入海，创下了他难以超越的纪录，好在沿着地球表面移动也可以是一种探险。
1999年，皮卡尔用不到20天的时间乘坐热气球环游世界，刷新了历史纪录。
伟大的梦想：
以光为动力飞行
然而，这次冒险却在皮卡尔心中埋下了深深的忧虑：燃料终究是要用完的，然后怎么办？自那开始，他就为自己定下了一个新的目标：要来一次不消耗化石燃料的环球旅行。坐在热气球的皮卡尔眺望着上空，幻想着将取之不尽的太阳能用于飞行：白天积累能量，夜间再把白天储存的能量慢慢释放出来，飞机就可以昼夜不停地飞行了。
伙伴和团队：
打造“阳光动力”
环球旅行结束后，皮卡尔便开始着手寻找团队来制造他梦想中的这架太阳能飞机。几经周折，他找到了洛桑联邦理工学院并认识了曾在瑞士空军服役的前飞行员波许博格。波许博格是一名经验丰富的飞行员、多项航空纪录的保持者，同时也是力学和热力学工程师、麦肯锡咨询师、投资人和企业家。2003年，皮卡尔和波许博格共同启动了阳光动力项目，这架天方夜谭般的太阳能飞机终于进入了可行性研究阶段。皮卡尔游说了政府机构和多家公司出资支持，波许博格招募了90多名各领域的顶尖专家，建立起自己的工程师团队；在团队之外，他们还获得了80家公司在技术上和财务上的支持。最终，在阳光动力核心技术团队的努力和80家技术合作伙伴、100多名外部专家的支持下，历时13年，耗资1.6亿瑞士法郎(约1.6亿美元)，原型测试机“阳光动力号”和正式的产品“阳光动力2号”先后建成了。
路线图
“阳光动力2号”从阿联酋首都阿布扎比起飞，自西向东飞行，依次抵达阿曼首都马斯喀特、印度城市艾哈迈达巴德和瓦拉纳西、缅甸的曼德勒、中国的重庆和南京。按计划，“阳光动力2号”在结束中国之行后经夏威夷飞越太平洋，其横穿美国大陆的停留地点为凤凰城、若干中西部城市和纽约。在飞越大西洋后，“阳光动力2号”将选择在南欧或北非的某座城市停留，并于2015年7月末或8月初返回起点阿布扎比。
据飞行团队介绍，中国的两个站点是他们根据天气、地理位置等条件加以选择的。而从南京飞往美国夏威夷的航段，是此次环球航线中最长、也是最具挑战性的一段旅程。该航段直线距离为8500公里，预计飞行时间将达5天5夜。由于机舱内仅可容纳一位飞行员，该飞行员将连续不间断飞行5天5夜。
绝佳拍档
共创“阳光动力”并肩飞越世界
贝特朗·皮卡尔是一名医生，精神病学家、探险家和热气球驾驶员。出身冒险世家。1999年，他与同伴布莱恩-琼斯完成了世界上首次热气球环球之旅。是阳光动力的发起人和主席。
“阳光动力2号”本次环球之旅共有两名飞行员，途中轮流单独驾驶飞机。
阳光动力的ceo，共同创立者及飞行员。安德烈·波许博格毕业于洛桑联邦理工学院，曾接受瑞士空军的飞行员训练，持有8项太阳能飞机方面的国际航空协会世界纪录。
从阿联酋起飞一路向东
（综合新华社、中新网）
个系列拍到今年已经是第十个年头了。
这次来到了土耳其，不禁想起那首很火的歌“我想要带你去浪漫的土耳其”，遗憾的是最具有土耳其旅游标志的热气球因为天气原因没有坐成，但异国风情与风景也不虚此行。
出门旅行的拍照设备一直是很难选择的问题，究竟要带几只镜头？要画质还是要便携？其实旅途中拍照都是很快速的，看到美景就要赶紧按下快门，没有太多时间可以耽搁，更没有时间去换镜头，而且行李也比较多，多带一点东西都会是很累赘的，所以一台可靠的机身和一只可以通吃的镜头是出行前需要选择的难点。
这次只带了索尼A9和24-105G，A9的机身是索尼微单里性能最全面的，693个对焦点覆盖93%的取景面积，4D跟踪对焦最迅速，加上20张/秒连拍速度，完全不用考虑对焦难的问题，可以轻松的抓拍下各种瞬间，2420万像素对于旅行摄影来讲也足够用的，必然是出行最佳选择的机身，FE24-105/F4G镜头兼顾广角和小长焦的焦段，画质也是同其他品牌级别镜头里面最出色的，F4光圈虽不算大但是配合A9的机身防抖和优异的高感表现也绰绰有余了，A9的续航也是相当给力，一天拍摄上千张RAW照片电量也用不到一半，一块电池重度使用坚持两天完全没问题，这一套是旅行一机一镜走天下的最佳选择。
旅行人像虽然是以人物为重点，但环境的选择更为重要，所以有时候还需弱化人物给环境多一些空间才有意义，达到人景合一突出异国风情的环境才会让旅行人像更有味道。
本组37张，出镜：胡辰
往日系列回顾：
狐尘日记I ：http://bbs.fengniao.com/forum/952268.html
狐尘日记II ：http://bbs.fengniao.com/forum/1013586.html
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