雨雪天提高高空探測氣球施放高度的方法與研究

　　摘 要：氣象氣球是研究大氣、發展氣象、航空、宇宙飛行技術和進行空間科學研究重要而不可缺少的運載工具。將惡劣氣候條件下的高空氣象探測高度從 18 000 m 提高到 25 000 m，可以更多了解雨雪、冰凍、大風等惡劣氣候下高低層大氣相互影響和擾動傳輸過程，觀察太陽紫外輻射在平流層和中層大氣中的傳輸、吸收和光化反應等過程，有利于對大氣整體物理過程的研究。研究了探空氣球在惡劣天氣情況下的設計方案，以滿足惡劣氣候條件下的高空氣象探測高度的要求。

　　關鍵詞：氣象氣球;平流層;高空氣象探測;高空數據

　　目前，常規用氣球在雨雪、冰凍、大風等惡劣氣候條件下，氣球的升空高度較低，平均探測高度約為 18 000 m，最低探測高度為 12 000 m，與探測規范要求的 25 000 m 探測高度差距很大，造成臺站高空數據的缺失，影響天氣預報的準確率和氣象科學研究。因此，為了滿足惡劣氣候條件下的高空氣象探測高度要求，提高我國氣象探測水平，增強防災減災的能力，對探空氣球進行研究有著十分重要的意義和應用價值。

　　1 實驗用原材料

　　天然離心膠乳、氯丁膠乳、硫化劑、促進劑、防臭氧劑、耐寒增塑劑、潤濕分散劑、防老劑、活性劑。

　　2 實驗用原材料執行標準

　　控制指標及檢驗方法按《膠乳工業原材料技術條件和試驗方法匯編》中有關條款進行。實驗用原材料均為工業級，穩定劑和潤濕分散劑制備成稀釋溶液，硫化劑、促進劑、防老劑、防臭氧劑、活性劑分別研磨成水分散體，耐寒增塑劑制備成乳狀液。

　　3 實驗配方及性能指標

　　3.1 膠乳粘度的測定

　　采用 NDS-1 旋轉粘度計(上海儀器廠)測定。

　　3.2 氣球物理性能的測定

　　按 GB/T 528 及 GJB987A-98 氣象氣球試驗方法中相關條款進行。

　　物理性能方面，爆破直徑≥650 cm。老化前拉斷伸長率 ≥600%，拉伸強度≥20 MPa;老化后(100 ℃×8 h)拉斷伸長率≥620%，拉伸強度≥17 MPa。

　　低溫下(-70±1)℃拉斷伸長率≥150%(酒精介質);耐臭氧能力方面，4 h 不發生龜裂、穿孔或斷裂;抗紫外老化后，拉斷伸長率≥570%，拉伸強度≥9.7 MPa。

　　惡劣氣候條件下的升空性能：平均升空高度大于等于 25 000 m，平均升速大于等于 300 m/min。

　　4 實驗內容及結果

　　4.1 主體材料篩選與改性研究

　　天然膠乳綜合性能優良，課題組仍然選擇天然膠乳作為主體材料。本課題研究產品是雨雪、冰凍、大風等氣候下使用，不僅要求氣球具有優良的物理性，而且要求氣球的疏水性也要良好，則必須要對主體材料進行改性。

　　4.2 疏水性

　　疏水性是指一個物質與水互相排斥的物理性質，對于氣球，即氣球的球皮表面與水有互相排斥的物理性質，這樣在惡劣氣候條件下，在升空過程中，氣球表面的雨雪粘著量就比較少，則在進入低溫區后，在氣球表面結冰層的量就變少，進而可以改善氣球在低溫條件下的伸張率和回彈。

　　為了改善球皮的疏水性，我們選用了幾種新型材料在濕潤狀態下進行了對比(濕潤：在對球皮進行檢測前，對其進行 2 h 的泡水處理)，選用的新型材料有氯丁膠乳、聚異戊二烯膠乳、聚氨酯膠乳等。

　　5 配方的研究

　　5.1 耐寒增塑劑對氣球性能影響的研究

　　探空氣球在升空過程中要經過-60～-80 ℃的低溫區，氣球在此區域的膨脹性能決定了氣球的最終施放高度，氣球在低溫下的伸長率越高、膨脹倍數越大，則氣球的升空高度就會越高。而在惡劣氣候條件下，在對流層會有雨雪等附著在球體表面，因此，提高氣球在低溫下導致表面結冰的條件下的伸長率和爆破直徑是提高氣球升空高度的關鍵。氣球在升空過程中，經過對流層時隨高度的升高氣溫下降，穿越對流層進入平流層后，氣溫又會升高，而氣球的橡膠分子在升空過程中就要經歷從高彈態到玻璃態，再從玻璃態回到高彈態的過程，所以，就要求氣球在經歷低溫后溫度回升時彈性回復性能良好。為了提高惡劣氣候條件下用氣象氣球的耐低溫性能，項目研究中選用凝固點低的耐寒劑 DOS 作為耐寒劑，加之本課題分別采用了天然配合膠乳與氯丁配合膠乳兩種膠乳作為材料，所以，分為常溫和低溫兩部分分別進行了研究，提高了成膜性能，避免了“脫水”“串泡”現象，從而提高了氣象氣球的耐低溫性能。

　　5.2 防老劑篩選及配比研究

　　探空氣球是在臭氧濃度較高的情況下使用的，而且紫外線的強烈輻射會引起膠膜的龜裂，太陽光較長時間的曝曬也會加速球膜的老化，而氣球在升空過程中隨大氣的密度的減小而膨脹。為了提高氣球的升空高度，延長氣球飛行時間，必須進一步提高球皮的耐老化性能，特別是抗臭氧老化性能。

　　6 開展加工工藝及技術條件研究

　　天然膠乳的物理性能優良，但具有一定的親水性;氯丁膠乳的疏水性強，但是物理性能指標達不到要求。為了充分發揮他們的優點而不受其缺點的限制，課題組采用雙層膠乳浸漬法作為氣象氣球的生產工藝，即在生產的過程中，先浸漬天然膠乳配合膠，待其表面凝固后，浸漬一層清凝固劑，使其干燥，然后浸漬氯丁膠乳配合膠。

　　7 結束語

　　惡劣氣候條件下用氣象氣球課題，選用天然膠乳作為主體材料，并選擇疏水性最強的氯丁膠乳對主體材料進行改進。對老化體系和耐寒體系展開研究，分別采用防老劑 W 與防老劑 D、DOS 作為防老劑和耐寒劑，改善了氣象氣球的耐老化性能和耐寒性能。項目采用雙層膠乳浸漬法為生產工藝，并對項目所需要的模具進行改進，通過改善氣球的整體外形、適當縮小模具的整體體積等方面進行改進。在惡劣氣候天氣條件下，平均升空高度超過 25 000 m，滿足了氣象探測的業務需要。

　　參考文獻：

　　[1]化學工業部乳膠研究所.膠乳工業原材料技術條件和試驗方法匯編[M].北京：化工出版社，1998.

　　[2]中國氣象局.高空氣象觀測質量考核標準[S].北京：氣象出版社，2010.