雨雪天提高高空探测气球施放高度的方法与研究
摘 要：气象气球是研究大气、发展气象、航空、宇宙飞行技术和进行空间科学研究重要而不可缺少的运载工具。将恶劣气候条件下的高空气象探测高度从 18 000 m 提高到 25 000 m，可以更多了解雨雪、冰冻、大风等恶劣气候下高低层大气相互影响和扰动传输过程，观察太阳紫外辐射在平流层和中层大气中的传输、吸收和光化反应等过程，有利于对大气整体物理过程的研究。研究了探空气球在恶劣天气情况下的设计方案，以满足恶劣气候条件下的高空气象探测高度的要求。
关键词：气象气球;平流层;高空气象探测;高空数据
目前，常规用气球在雨雪、冰冻、大风等恶劣气候条件下，气球的升空高度较低，平均探测高度约为 18 000 m，最低探测高度为 12 000 m，与探测规范要求的 25 000 m 探测高度差距很大，造成台站高空数据的缺失，影响天气预报的准确率和气象科学研究。因此，为了满足恶劣气候条件下的高空气象探测高度要求，提高我国气象探测水平，增强防灾减灾的能力，对探空气球进行研究有着十分重要的意义和应用价值。
1 实验用原材料
天然离心胶乳、氯丁胶乳、硫化剂、促进剂、防臭氧剂、耐寒增塑剂、润湿分散剂、防老剂、活性剂。
2 实验用原材料执行标准
控制指标及检验方法按《胶乳工业原材料技术条件和试验方法汇编》中有关条款进行。实验用原材料均为工业级，稳定剂和润湿分散剂制备成稀释溶液，硫化剂、促进剂、防老剂、防臭氧剂、活性剂分别研磨成水分散体，耐寒增塑剂制备成乳状液。
3 实验配方及性能指标
3.1 胶乳粘度的测定
采用 NDS-1 旋转粘度计(上海仪器厂)测定。
3.2 气球物理性能的测定
按 GB/T 528 及 GJB987A-98 气象气球试验方法中相关条款进行。
物理性能方面，爆破直径≥650 cm。老化前拉断伸长率 ≥600%，拉伸强度≥20 MPa;老化后(100 ℃×8 h)拉断伸长率≥620%，拉伸强度≥17 MPa。
低温下(-70±1)℃拉断伸长率≥150%(酒精介质);耐臭氧能力方面，4 h 不发生龟裂、穿孔或断裂;抗紫外老化后，拉断伸长率≥570%，拉伸强度≥9.7 MPa。
恶劣气候条件下的升空性能：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 实验内容及结果
4.1 主体材料筛选与改性研究
天然胶乳综合性能优良，课题组仍然选择天然胶乳作为主体材料。本课题研究产品是雨雪、冰冻、大风等气候下使用，不仅要求气球具有优良的物理性，而且要求气球的疏水性也要良好，则必须要对主体材料进行改性。
4.2 疏水性
疏水性是指一个物质与水互相排斥的物理性质，对于气球，即气球的球皮表面与水有互相排斥的物理性质，这样在恶劣气候条件下，在升空过程中，气球表面的雨雪粘着量就比较少，则在进入低温区后，在气球表面结冰层的量就变少，进而可以改善气球在低温条件下的伸张率和回弹。
为了改善球皮的疏水性，我们选用了几种新型材料在湿润状态下进行了对比(湿润：在对球皮进行检测前，对其进行 2 h 的泡水处理)，选用的新型材料有氯丁胶乳、聚异戊二烯胶乳、聚氨酯胶乳等。
5 配方的研究
5.1 耐寒增塑剂对气球性能影响的研究
探空气球在升空过程中要经过-60～-80 ℃的低温区，气球在此区域的膨胀性能决定了气球的最终施放高度，气球在低温下的伸长率越高、膨胀倍数越大，则气球的升空高度就会越高。而在恶劣气候条件下，在对流层会有雨雪等附着在球体表面，因此，提高气球在低温下导致表面结冰的条件下的伸长率和爆破直径是提高气球升空高度的关键。气球在升空过程中，经过对流层时随高度的升高气温下降，穿越对流层进入平流层后，气温又会升高，而气球的橡胶分子在升空过程中就要经历从高弹态到玻璃态，再从玻璃态回到高弹态的过程，所以，就要求气球在经历低温后温度回升时弹性回复性能良好。为了提高恶劣气候条件下用气象气球的耐低温性能，项目研究中选用凝固点低的耐寒剂 DOS 作为耐寒剂，加之本课题分别采用了天然配合胶乳与氯丁配合胶乳两种胶乳作为材料，所以，分为常温和低温两部分分别进行了研究，提高了成膜性能，避免了“脱水”“串泡”现象，从而提高了气象气球的耐低温性能。
5.2 防老剂筛选及配比研究
探空气球是在臭氧浓度较高的情况下使用的，而且紫外线的强烈辐射会引起胶膜的龟裂，太阳光较长时间的曝晒也会加速球膜的老化，而气球在升空过程中随大气的密度的减小而膨胀。为了提高气球的升空高度，延长气球飞行时间，必须进一步提高球皮的耐老化性能，特别是抗臭氧老化性能。
6 开展加工工艺及技术条件研究
天然胶乳的物理性能优良，但具有一定的亲水性;氯丁胶乳的疏水性强，但是物理性能指标达不到要求。为了充分发挥他们的优点而不受其缺点的限制，课题组采用双层胶乳浸渍法作为气象气球的生产工艺，即在生产的过程中，先浸渍天然胶乳配合胶，待其表面凝固后，浸渍一层清凝固剂，使其干燥，然后浸渍氯丁胶乳配合胶。
7 结束语
恶劣气候条件下用气象气球课题，选用天然胶乳作为主体材料，并选择疏水性最强的氯丁胶乳对主体材料进行改进。对老化体系和耐寒体系展开研究，分别采用防老剂 W 与防老剂 D、DOS 作为防老剂和耐寒剂，改善了气象气球的耐老化性能和耐寒性能。项目采用双层胶乳浸渍法为生产工艺，并对项目所需要的模具进行改进，通过改善气球的整体外形、适当缩小模具的整体体积等方面进行改进。在恶劣气候天气条件下，平均升空高度超过 25 000 m，满足了气象探测的业务需要。
参考文献：
[1]化学工业部乳胶研究所.胶乳工业原材料技术条件和试验方法汇编[M].北京：化工出版社，1998.
[2]中国气象局.高空气象观测质量考核标准[S].北京：气象出版社，2010.
