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品：科普中國
制作：黃宛寧 張泰華 中國科學院空天信息研究院
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
氣球作為兒童玩具的形象早已深入人心，旅游景點附近販賣氣球玩具隨處可見。
玩具氣球（圖片來源：http://tieba.baidu.com/p/6139525060）
稍微進階版的就是利用氣球能飛上天的原理載物。看過迪士尼動畫電影《飛屋環游記》的觀眾都對這個畫面印象深刻，主人公老爺爺用一大堆玩具氣球綁住自己的房子，實現了飛天的夢想。
《飛屋環游記》劇照（圖片來源https://item.jd.com/26654983774.htm
這樣的飛天耗費氣球有點多，實現起來比較麻煩。實際上用一個不太大的熱氣球就可以實現這樣的功能。"我想要帶你去浪漫的土耳其，然后一起去東京和巴黎……"每當聽到這句歌詞，都讓人忍不住想要去土耳其"浪漫"一下，感受乘坐熱氣球飛行的魅力。
"浪漫的土耳其"的熱氣球（圖片來源：veer圖庫）
以上我們介紹的都是普通人對氣球的玩法。那科學家玩起氣球來又是什么樣的呢？
科學家們怎么玩氣球？
科學家常玩的一種氣球叫做系留氣球。相比于娛樂，系留氣球更注重科學作用，在科學考察，環境監測中正發揮著不可替代的重要作用。
系留氣球，顧名思義，就是指氣球的下端有一根纜繩栓系著。乍一看，這不就是放風箏嘛。特別是最近出現的大型風箏還真有向充氣型發展的趨勢，不過它們不是像氣球一樣填充氦氣或者氫氣，而是填充空氣。
△大型充氣風箏（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s? src=11×tamp=1560260944&ver=1662&signature=Zhi4GIxz1yzpCdypVnX-Ipsd1ggFtPNuwbL-LZJlbC*kvb9JSqz-p4KS5AQd9HxwTmMtDzEy6x5tFwUi07-AnUDZ3n7fACRwjqrSM38K3uIPfnmgZB4eYSDq8aLgoqXY&new=1）
有同學可能會問，我們平時玩的玩具氣球也有一根繩子拴著，那它們屬于系留氣球嗎？其實，當我們用手牽著氣球的繩子的時候，可以勉強稱其為系留氣球；一旦我們松開了手，氣球飛向天空，那就成了自由氣球。
當我們牽著玩具氣球的繩子時它是系留氣球（圖片來源：veer圖庫）
當我們放開玩具氣球的繩子時它就是自由氣球（圖片來源：veer圖庫）
造型不一樣，作用大不同
當然，這只是為了解釋名字方便。科學家玩的系留氣球，它下面系著的纜繩不僅僅起到拽著氣球的作用，其實它是一根很有技術含量的纜繩。這根纜繩除了含有承受拉力的纖維，還有電纜和光纖，分別起到供電和通信的作用。為了達到氣球升空的要求，在滿足受力、輸電和光纖通信需求的前提下，還要做到重量盡可能輕。
這根纜繩學名叫做光電復合纜。有了它，系留氣球上的設備就可以通過系纜輸送電，實現地面電源供電，這樣設備就幾乎不受能源的限制，可以發揮它最大的優勢：長時間定點定高駐空。
△光電復合纜結構（圖片來源：http://shop.ebdoor.com/Shops/3530739/Products/38045131.aspx）
（形式跟上圖這個類似，但是上圖是地面用的光電復合纜，不需要考慮減重）
這個氣球升到了7003米，創造了世界紀錄！
2019年5月9日起，我國自主研制的"極目一號"系留氣球在西藏第二大湖納木錯開展了多次高空觀測。6月1日早上5點40分，系留氣球上升到海拔6761米，順利完成了第7次高空觀測。這次系留氣球高空觀測任務，平均升空海拔近6800米，其中在5月23日凌晨6點01分，"極目一號"創造了同類系留氣球高空科學觀測的世界紀錄，上升到7003米。
中科院院士、第二次青藏科考首席科學家姚檀棟這樣介紹此次高空觀測創造的世界紀錄："'極目一號'系留氣球能夠上到7千米，去測大氣中的水汽穩定同位素，這在世界上是第一次，在青藏高原的觀測則有著更特殊的意義。"
"這個地區是西風和季風相互作用的地區，而納木錯地區又是西風和季風相互作用的一個轉換地區。之前我們對于整個亞洲水塔（"亞洲水塔"指的是以青藏高原為主體的世界第三極，有眾多的高山山脈，分布著除南北極之外最大的冰川群，滋潤了數量眾多的河流和湖泊。）的水汽來源，對季風和西風起多大作用，都不是很清楚。通過將系留氣球至少上升到7千米觀測出的大氣中水汽穩定同位素值，我們發現這種水汽的輸送是從東南方向來的。這實際上超出傳統上我們對印度季風輸送高度的認識，在科學上肯定是新的發現。"
系留氣球在納木錯地區進行科考（圖片來源：中科院空天信息研究院浮空器研發中心張泰華攝影）
系留氣球最適合用于高原高空氣象觀測
系留氣球給青藏科考帶來的技術突破是顯而易見的。
之前，在高原地區的垂直剖面氣象觀測一直是一個難題。科考隊員冒著嚴重高原反應的風險，使用牦牛將科研儀器馱到高原不同的高度進行觀測，這種方法受山地地形所限，所獲取的數據無論是時間和空間上都比較分散。
而且使用"肩扛牛駝"的方法，即使將儀器設備帶到較高海拔地點，仍然無法消除地表影響，以至于無法獲得相關海拔高度水汽同位素和黑炭等大氣成分的真實含量和變化，地面非接觸測量設備的測量誤差遠遠超出了相關組分的變化幅度。據說，牦牛到了海拔6500米，再往高處就"打死也不走了"！
牦牛表示：這個鍋我不背……（圖片來源：veer圖庫）
同是高空觀察系留氣球行直升機為啥不行？
系留氣球本次主要用于垂直剖面氣象觀測，即在同一地點不同高度分別駐留一段時間，采集氣象參數，分析氣象參數在該點不同高度的變化趨勢。
對于這類任務，理論上我們也可以使用直升機進行觀測。但是目前可以使用的高原型直升機表現最好的是軍用直18，最大極限升限為9000m。但如果要在青藏
高原地區進行高空氣象觀測，必須搭載超過100公斤的科學儀器，而且要長時間定點懸停采集數據，這對直升機來說要求就太高了。
△直18（AC313軍用版）（圖片來源http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.）
直升機飛行高度有限和它特殊的飛行方式有關，主要依靠槳葉在發動機的工作帶動下旋轉向下壓縮空氣而獲得升力。當產生的升力大于直升機總重時，直升機就可以成功起飛。而高原地區海拔高，空氣稀薄，此時直升機槳葉向下壓縮空氣時的效率將會下降，直升機飛行性能自然也明顯下降。
不使用直升機進行科考觀測，更重要的原因在于直升機的工作方式對周圍氣流產生了較大的擾動，這樣就會干擾到氣象數據的采集。而使用系留氣球觀測，本身沒有發動機之類的動力，對周圍環境的影響幾乎可以忽略不計，特別適合高空垂直剖面氣象參數觀測的任務。
系留氣球和船一樣會"停泊"
系留氣球是依靠浮力升空的，載重要求越高，升空高度越高，系留氣球的體積就越大。
看到這里大家肯定會有一個疑問：這么大個氣球會不會被風吹跑？
△（圖片來源：http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.）
答案是當然不會！
除了主系纜有很高的安全系數外，系留氣球系統的地面錨泊設施也起了重要的作用。
大型船舶的船錨（圖片來源：veer圖庫）
錨泊這個詞是從船舶專業的錨泊一詞發展過來的。系留氣球錨泊設施的主要作用也和船舶上的錨泊設施類似，雖然形式上有所區別，但是兩者作用一致，都是起穩定固定作用的。
前者是為了固定氣球球體不被風吹跑，后者是為了穩定固定船體；前者的系纜長度可以通過主絞盤收放，后者錨鏈的長度可以根據水深需要收放調節。
系留氣球有兩個狀態，系留狀態和錨泊狀態。
系留狀態可以看作是它的工作狀態，氣球只被主系纜拽著，停留在需要的高度，這個時候氣球上的儀器設備就可以開始工作了。
系留狀態的系留氣球（圖片來源：中科院空天信息研究院浮空器研發中心屈維攝影）
而錨泊狀態可以視為待機狀態，氣球收回到錨泊平臺上，由頭部的鼻錐和兩側系索三點共同約束，這時氣球處于一個抗風能力更好的狀態，此時氣球上的科學儀器會關機，僅留有球體壓力控制的設備正常工作。
△系留氣球處于錨泊狀態（頭部鼻錐和兩側系索，共三點約束）（圖片來源：中科院空天信息研究院浮空器研發中心祝榕辰攝影）
而且錨泊設施上有一個回轉平臺，可以由球體帶動自由轉動，使流線型氣球的頭部始終對著來風的方向，這樣氣球所受的風阻相對最小。
（圖片來源：中科院空天信息研究院浮空器研發中心屈維攝影）
所以，一旦遇到惡劣天氣，操作人員就會將系留氣球置于錨泊狀態以保證球體的安全。
本次納木錯試驗，是中科院空天信息研究院的系留氣球第6次在青藏高原地區進行科考作業。未來，我國將完成系統的"極目"觀測，實現對第三極生態、環境、資源、災害等過程的大范圍、多尺度、系統化、常態化監測，為科學研究和社會經濟發展提供精準數據。
下一步，科考隊將利用系留氣球繼續到青藏高原其他地區進行觀測，并有望挑戰更高的升空高度。
參考文獻：
[1]人民網軍事頻道.國產直-18直升機首次飛越珠峰 飛行高度達9000米[EB/OL].http://military.people.com.cn/n/2015/0202/c1011-26493171.html,2015-2-2.
[2]黃宛寧, 栗穎思, 周書宇, et al. 現代浮空器軍事應用[J]. 科技導報, 2017(15):22-29.
[3]新華社.7003米！我國自主研發的系留浮空器破高度紀錄[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時35分，從緬甸曼德勒起飛的全球最大太陽能飛機“陽光動力2號”，在歷經20小時29分航行1500公里后，安靜降落在重慶江北國際機場。
2015年3月9日，世界上最大的太陽能飛機“陽光動力2號”從阿聯酋首都阿布扎比起程，開始太陽能飛機首次環球飛行。整個飛行完全依靠陽光為動力，不使用一滴航空燃料，晝夜不間斷地飛行，繼續人類的夢想。
在重慶短暫停留之后，“陽光動力2號”還將到達中國另外一個城市南京，并將在那里進行一個月左右的休整，然后飛越太平洋前往美國，繼續環球之旅。
夜太美
“陽光動力2號”
星空下飛抵重慶
3月31日1時35分，經過長達20小時29分的飛行，世界最大太陽能飛機“陽光動力2號”以優美姿態穿過星空落地重慶江北國際機場，首次抵達中國。新華社發
貝特朗·皮卡爾
安德烈·波許博格
絕對
主角
“陽光動力2號”太陽能飛機是全球最大的太陽能飛機，是唯一一架長航時、不必耗費一滴燃油便可晝夜連續飛行的太陽能飛機。“陽光動力2號”的翼展達到72米，超過體積最大的商用客機，但重量只有約2300公斤，與一輛家用汽車相當。飛行所需能量完全由太陽能電池提供，輕如鴻羽。這個“陽光大蜻蜓”正承載人類的飛翔夢想，飛越全球，飛向未來。
2014年4月9日正式亮相的“太陽動力”2號是“太陽動力”號的升級版，它超越“太陽動力”號成為全球體積最大的太陽能飛機。它的翼展達72米，堪比波音747－800型客機，重2.3噸，最大飛行高度可達8500米，最高時速為140公里。
2014年6月2日全球最大的太陽能飛機“太陽動力”2號在瑞士西部城市帕耶訥成功首飛。飛行持續1小時45分鐘，最高飛行高度為2400米，在飛行過程中飛機各項技術指標正常。
2015年2月26日當地時間2015年2月26日，阿聯酋首都阿布扎比，全球最大的太陽能飛機“陽光動力2號”在阿聯酋首都阿布扎比上空飛行，為3月開始的環球飛行做準備。
2015年3月兩名瑞士探險家駕駛“太陽動力”2號從海灣地區出發，開啟環球飛行之旅。
“陽光大蜻蜓”輕如鴻羽承載人類飛翔新夢想
特殊旅程
飛行員要專門練睡覺
白天，飛機“汲取”太陽能并轉化為電能，攀升至8000米以上高空飛行；到了晚上，它將逐漸下降到3000米的高度，依靠儲存在電池里的多余電能繼續飛行。由于飛機沒有減壓艙，溫度落差極大。白天氣溫最高可達30℃，而到了晚上又可能會降至-30℃。因此，飛行員將穿著指尖和腳尖有保暖設備的特殊服裝，以適應溫度變化。
“陽光動力2號”的機艙大約為3.8立方米，使得飛行員在休息時可以將座椅放平。座椅下面設有馬桶裝置，解決了飛行員上廁所的問題。機上設有通話、網絡等設備，可隨時與地面聯絡。飛機可以在無人控制的情況下飛行20分鐘，為此，兩位飛行員專門進行了睡眠訓練?！澳阋衙刻焱砩纤?個小時的習慣，改變成一天睡10次，每次睡20分鐘?！?/p>
揭秘“陽光環球之旅”：正在環游世界創造人類歷史將可永久飛行
它僅靠太陽能便進行橫跨美國的飛行，在很大程度上宣傳了太陽能，提高人們對太陽能的關注。它就是瑞士制造的大名鼎鼎的“陽光動力”號太陽能飛機。按照計劃，“陽光動力2號”正在上演環球之旅，就此創造歷史。
“陽光動力”號是世界上第一架只依靠太陽能電池連續飛行24小時的飛機。沒錯，我們討論的是一架可以在夜間飛行的太陽能飛機。“陽光動力”號飛行員表示：“從理論上說，這架飛機可以永遠飛下去?！?/p>
生生不息飛行探險
偉大的夢想：
以光為動力飛行伙伴和團隊：
打造“陽光動力”
這不是一次舒心的旅行，而是一場準備了十幾年的冒險。飛翔只為一個愿景：以技術的進步來降低能源消耗，為人類創造一個可持續的未來。
“陽光動力2號”2014年剛剛建成，但這次環球飛行的念頭卻可以追溯到1999年。項目的發起者貝特朗·皮卡爾出生于探險世家。他的祖父奧古斯特·皮卡爾早在80年前便和助理搭乘自己制造的熱氣球到達1.6萬米高空的大氣平流層，創下世界最高的紀錄，而他的父親雅克·皮卡爾則是第一批潛入海底最深處——太平洋西北部的馬里亞納海溝的潛水者之一。皮卡爾說，祖輩父輩上天入海，創下了他難以超越的紀錄，好在沿著地球表面移動也可以是一種探險。
1999年，皮卡爾用不到20天的時間乘坐熱氣球環游世界，刷新了歷史紀錄。
偉大的夢想：
以光為動力飛行
然而，這次冒險卻在皮卡爾心中埋下了深深的憂慮：燃料終究是要用完的，然后怎么辦？自那開始，他就為自己定下了一個新的目標：要來一次不消耗化石燃料的環球旅行。坐在熱氣球的皮卡爾眺望著上空，幻想著將取之不盡的太陽能用于飛行：白天積累能量，夜間再把白天儲存的能量慢慢釋放出來，飛機就可以晝夜不停地飛行了。
伙伴和團隊：
打造“陽光動力”
環球旅行結束后，皮卡爾便開始著手尋找團隊來制造他夢想中的這架太陽能飛機。幾經周折，他找到了洛桑聯邦理工學院并認識了曾在瑞士空軍服役的前飛行員波許博格。波許博格是一名經驗豐富的飛行員、多項航空紀錄的保持者，同時也是力學和熱力學工程師、麥肯錫咨詢師、投資人和企業家。2003年，皮卡爾和波許博格共同啟動了陽光動力項目，這架天方夜譚般的太陽能飛機終于進入了可行性研究階段。皮卡爾游說了政府機構和多家公司出資支持，波許博格招募了90多名各領域的頂尖專家，建立起自己的工程師團隊；在團隊之外，他們還獲得了80家公司在技術上和財務上的支持。最終，在陽光動力核心技術團隊的努力和80家技術合作伙伴、100多名外部專家的支持下，歷時13年，耗資1.6億瑞士法郎(約1.6億美元)，原型測試機“陽光動力號”和正式的產品“陽光動力2號”先后建成了。
路線圖
“陽光動力2號”從阿聯酋首都阿布扎比起飛，自西向東飛行，依次抵達阿曼首都馬斯喀特、印度城市艾哈邁達巴德和瓦拉納西、緬甸的曼德勒、中國的重慶和南京。按計劃，“陽光動力2號”在結束中國之行后經夏威夷飛越太平洋，其橫穿美國大陸的停留地點為鳳凰城、若干中西部城市和紐約。在飛越大西洋后，“陽光動力2號”將選擇在南歐或北非的某座城市停留，并于2015年7月末或8月初返回起點阿布扎比。
據飛行團隊介紹，中國的兩個站點是他們根據天氣、地理位置等條件加以選擇的。而從南京飛往美國夏威夷的航段，是此次環球航線中最長、也是最具挑戰性的一段旅程。該航段直線距離為8500公里，預計飛行時間將達5天5夜。由于機艙內僅可容納一位飛行員，該飛行員將連續不間斷飛行5天5夜。
絕佳拍檔
共創“陽光動力”并肩飛越世界
貝特朗·皮卡爾是一名醫生，精神病學家、探險家和熱氣球駕駛員。出身冒險世家。1999年，他與同伴布萊恩-瓊斯完成了世界上首次熱氣球環球之旅。是陽光動力的發起人和主席。
“陽光動力2號”本次環球之旅共有兩名飛行員，途中輪流單獨駕駛飛機。
陽光動力的ceo，共同創立者及飛行員。安德烈·波許博格畢業于洛桑聯邦理工學院，曾接受瑞士空軍的飛行員訓練，持有8項太陽能飛機方面的國際航空協會世界紀錄。
從阿聯酋起飛一路向東
（綜合新華社、中新網）
個系列拍到今年已經是第十個年頭了。
這次來到了土耳其，不禁想起那首很火的歌“我想要帶你去浪漫的土耳其”，遺憾的是最具有土耳其旅游標志的熱氣球因為天氣原因沒有坐成，但異國風情與風景也不虛此行。
出門旅行的拍照設備一直是很難選擇的問題，究竟要帶幾只鏡頭？要畫質還是要便攜？其實旅途中拍照都是很快速的，看到美景就要趕緊按下快門，沒有太多時間可以耽擱，更沒有時間去換鏡頭，而且行李也比較多，多帶一點東西都會是很累贅的，所以一臺可靠的機身和一只可以通吃的鏡頭是出行前需要選擇的難點。
這次只帶了索尼A9和24-105G，A9的機身是索尼微單里性能最全面的，693個對焦點覆蓋93%的取景面積，4D跟蹤對焦最迅速，加上20張/秒連拍速度，完全不用考慮對焦難的問題，可以輕松的抓拍下各種瞬間，2420萬像素對于旅行攝影來講也足夠用的，必然是出行最佳選擇的機身，FE24-105/F4G鏡頭兼顧廣角和小長焦的焦段，畫質也是同其他品牌級別鏡頭里面最出色的，F4光圈雖不算大但是配合A9的機身防抖和優異的高感表現也綽綽有余了，A9的續航也是相當給力，一天拍攝上千張RAW照片電量也用不到一半，一塊電池重度使用堅持兩天完全沒問題，這一套是旅行一機一鏡走天下的最佳選擇。
旅行人像雖然是以人物為重點，但環境的選擇更為重要，所以有時候還需弱化人物給環境多一些空間才有意義，達到人景合一突出異國風情的環境才會讓旅行人像更有味道。
本組37張，出鏡：胡辰
往日系列回顧：
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