集智攻关挑战“极”致“目”标|中国科学院_新浪科技

①星空下的“极目一号”。

②浮空器团队成员在高原上搬运未充气的浮空器。

③部分科考队员在“极目一号”浮空器前合影。

④在珠峰大本营利用系留气柱进行观测试验。

⑤正在充气的“极目一号”浮空器。

空天院供图

■本报记者袁一雪

海拔6204米，6608米，7003米，9032米，9050米……

自2017年项目立项以来，“极目一号”浮空器一次又一次刷新系留气球驻空海拔高度的世界纪录，在填补国内空白的同时，获取了大量宝贵的科学数据，也因此被誉为“国之重器”。

负责研发“极目一号”浮空器的中国科学院空天信息创新研究院浮空器系统研发中心（以下简称空天院浮空器中心）团队成员在接受采访时纷纷表示：“这是一项凸显中国科学院体系化、建制化优势的团队作战成果。”

1 超越高山

“如果没有来自科研一线的需求，我们也不会追求极致的高度。”空天院浮空器中心主任杨燕初谈起“极目一号”的研发初衷时这样说。他认为这是一次科学家和工程师专业互补的成功合作。

以青藏高原为核心的地球“第三极”，固态水储量仅次于南北极。作为地球上近20亿人赖以生存的十多条大江大河和数以千计的大小湖泊的源头，它被称为“亚洲水塔”。

2017年，中国科学院青藏高原研究所（以下简称青藏高原所）提出，希望对大气垂直剖面进行观测，弄清青藏高原东南部水汽以及二氧化碳、甲烷等变化，以了解在全球变暖过程中亚洲水塔的变化。在此之前，高海拔地区，特别是海拔6500米以上区域，受地形以及极端天气影响，观测手段有限，原位观测数据匮乏。所以该区域垂直剖面的大气原位观测还是空白。

想要填补这一空白，使用在高空中驻留时间长、能携带一定重量的观测设备，并用缆绳系留固定在地面锚泊设施上的浮空器进行观测当数最佳选择。

“青藏高原所提出的条件最简单也最难实现，浮空器的驻留高度要比山高。”空天院正高级工程师、浮空器项目负责人张泰华一直将这个条件谨记于心，“因为水汽的传输要跨越山顶，所以浮空器的驻留高度只有超越山顶，才能准确观测到这些数据”。但在高原上，高山就像一堵墙，气流在山峰下方相对稳定，而一旦超过山的高度就会陡然发生变化。“除了气流扰动，每升高100米，温度、湿度，尤其风速风向和大气电场都会发生很大变化。”张泰华补充道。

从西藏林芝鲁朗地区到纳木错湖畔高山，再到珠穆朗玛峰，要超过的山一座高过一座，“极目一号”浮空器的驻留高度也随之一再攀升。“极目一号”的名字由此而来，寓意“极目远眺”。

“极目一号”浮空器是个“小家庭”，在这个“小家庭”中，Ⅰ型为试验而生，Ⅱ型为满足大多数观测条件而设计，Ⅲ型则是因浮空器团队努力实现需求、追求极致而生。

为了实现扶摇直上9000米的极致目标，“极目一号”Ⅲ型的艇体被设计为长55米、体积9060立方米的庞然大物。“这么大的体形是经过精密计算得出的优化尺寸，既为了将多种大质量载荷从地面携带至海拔9000米的高度，也为了在高空乱流中提供足够的稳定性。”空天院正高级工程师、浮空器项目负责人何泽青解释道。

2 集团作战

最初接到任务时，浮空器团队从经济的角度考虑，想以气柱为外形制造浮空器。但在试验时发现，气柱外形的浮空器根本无法抵抗高原上的气流。于是，团队凝练出“大白鲸”的设计思路：“大”指浮空器尺寸大，“白”指浮空器采用反射光线、减少紫外线吸收的白色，“鲸”则指它采用仿生学设计形似鲸鱼。不过，浮空器的尾部并不像鲸鱼，而是采用倒Y形设计，这样能够更好地保证浮空器在空中姿态的稳定。

外形追求极致，所用材料自然要求更高。由于以往使用的进口材料来源受阻，浮空器团队中负责球体分系统的科研人员找到中国科学院长春应用化学研究所（以下简称长春应化所），希望他们可以生产出高低温性能良好，同时抗老化、耐揉搓且具备良好气密性能的材料。

接到任务的长春应化所立刻成立课题组，面向浮空器材料展开攻关，最终研发出一种轻质低密度低渗高强抗辐射复合材料，可以满足“极目一号”的任务需求。由此，“全副武装”的浮空器可以更好地应对青藏高原严酷的自然条件考验，对抗外部雨雪风沙；内部气体泄漏大大减少，浮空器的使用寿命与复用次数都得到了极大增加。

何泽青记得，有一次，在“极目一号”充气过程中，地面风向突然改变，由此前预报的南风转为北风。这让现场队员十分紧张，因为充气过程是浮空器最脆弱的时候，一般会选择天气条件较好且稳定的时间段进行，气体由浮空器头部注入，逐渐充满整个浮空器。但当风向突然改变时，空气中的乱流会对尚未成型的浮空器产生干扰，造成局部应力过大，情况严重的话可能将浮空器撕裂，导致试验失败。所幸，材料足够坚韧。现场队员经过研判，认为虽然是短时强风，但风向相对固定，于是他们一边小心翼翼地控制锚泊车的角度，一边加快充气速度。历经10小时，浮空器的充气过程终于完成，转入锚泊状态。

像这样惊险的情况还有很多，但经过团队成员通力协作，每次都化险为夷。在这背后，除了球体分系统功不可没，与之匹配的测控分系统、供配电分系统、地面锚泊分系统以及载荷分系统各司其职又协调统一，同样“劳苦功高”。

例如，载荷分系统作为科研人员的“眼睛”和“耳朵”，用于观测收集所需数据。为了在高海拔区域复杂电磁环境、低温低气压高风速环境中保障各个系统正常运行，队员们做足了准备。他们针对高空低温低气压的极端情况，对原本开放的设备舱体进行专门的保温保压设计。同时，为了监测大气电场在垂直高度的变化，由中国科学院电工研究所研制的电场传感器为“极目一号”载荷分系统正常运行提供了坚实的数据保障。

此外，浮空器团队还与企业合作研制了主系缆。“主系缆相当于浮空器与锚泊车之间的生命线，不仅起到浮空器与地面的连接和固定作用，还具有为浮空器提供电力、数据传输等功能，同时又是浮空器回收的关键。”杨燕初表示。经过几轮修正，最终应用在“极目一号”Ⅲ型上的主系缆直径仅2厘米，却容纳了电缆、承力层以及相关填充物。更重要的是，6000米长度的主系缆总重仅1.2吨，却能扛住近20吨的拉力。

3 精益求精

在通力合作的浮空器团队中，每位成员都积极出谋划策，为提高浮空器各方面质量提供思路。“浮空器的研发有木桶效应，意思是团队的短板决定了浮空器的整体性能。”杨燕初说，“所以每个人都努力成为‘长板’。”

以浮空器充气过程为例，要将氦气注满这个庞然大物，按照开始设计的400立方米/小时的输气速度，需要5到7个小时才能完成。因为最初设计的是软式充气口，不仅效率低，而且高压氦气注入时容易对浮空器材料产生冲击。为防止意外，充气时需要有人值守，甚至用手固定接口。氦气充气过程的温度极低，所以负责值守的工作人员会戴上多层厚手套用于保暖。但有一次，浮空器在充气时遇到意外情况，负责固定接口的年轻队员没来得及套上厚手套，却又因为情况特殊，无人替换，只能一直坚持到充气结束。充气完成后，他的手被冻僵了。

空天院助理研究员屈维决心解决这一问题，为此发明了硬式充气口。硬式充气口采用独特的结构设计及缓冲材料，对高压氦气进行减压、减速、增流。这一发明不仅增加了充气的安全性，还将充气速度从400立方米/小时大幅提高到2500立方米/小时。按照极限工况计算，可在1个小时内完成“极目一号”Ⅲ型充气。

充气时间在缩短，浮空器加工速度也在提升。在浮空器团队的150多人中，一部分女队员负责浮空器材料拼接工作。她们要做的是将100多片薄膜一样的材料拼接起来，这一过程就像缝衣服，只是更复杂，对工艺要求也更严格。经过她们的摸索和实践，两片材料压合的时间从6秒缩短至3秒，在保障质量的同时有效提高了浮空器的加工效率。

针对载荷设备舱保温板装配与拆除速度慢的问题，队员们发明了快速拆装保温板，通过在保温板上增加硬式包边以及多个快速拆装卡扣结构，实现了保温板的重复利用以及快速拆装，同时兼顾了外形美观的需求。

多团队跨领域协作，对方案进行修改、调整甚至推翻重来都是常事。“每一次涉及元器件更换等较大调整，对于浮空器都是一次新的考验。”何泽青说，“第一版时间磨合最长，越往后调整内容越少、时间越短。”在何泽青的电脑中，“极目一号”的方案一共存了9个修改版本。

4 苦中作乐

自从加入“极目一号”项目以来，张泰华作为领队，已经先后12次前往青藏高原。“‘极目一号’每次执行任务前，我和同事都会先查阅资料，充分了解当地的历史气象资料、环境情况、空域情况等，经过综合分析初步确定地点，再结合实地考察，摸清当地气流的特点和规律，找到自然条件影响最小的地点开展试验，最后确定目的地。”张泰华介绍，试验正式开始后，他作为项目负责人都会坚守现场。“每次上高原都是对身体和意志的极度考验，瘦十几斤是常事。”

高原上缺电少水，为了省事，浮空器团队用高压锅煮面条，煮出的面糊糊就是他们的食物。高原上风沙大，吃饭时嘴里进沙子是常事，如果风再大些，简易房中也会进沙子。“被子上都是土。”张泰华笑着说。

到后期，吃饭、睡觉都能凑合，但人的思维却因为缺氧变得缓慢。“平常感觉挺容易的事，在高原上要想半天才能明白。高原上空气稀薄，干活也费力，低海拔时一个人干的活儿，在那里需要两三个人。”张泰华说。

自然环境的艰苦可以凭借意志克服。“我们最怕的是生病，因为我们每一次的驻地都距离城市很远，至少一两百公里，有时三四百公里。如果生的是急病，后果很难想象。”说到这里，张泰华的声音低沉下来。

尽管如此，和他一起并肩战斗的同事经常带病出征。何泽青曾在一次执行任务前患上急性胆囊炎，医生建议他动手术，但他考虑到手术后需要时间恢复，来不及参与科考任务，固执地选择了保守治疗，直到现在还在吃药；浮空器科考分队执行副队长乔涛到达青藏高原后，血液收缩压一度飙升至190mmHg，一边吃降压药，一边坚持工作。

“空天院党委书记蔡榕每次都跟大家一起上高原，有一次晕车和高原反应症状叠加，血氧饱和度只有60%多，大家让他去拉萨休整，结果他第二天就回来了。” 张泰华回忆道。

张泰华与何泽青并不要求团队同事每次都参加高原外场试验，但他们一回都没落下，和大家“寓研于乐”，打成一片。“高原的环境已经足够艰苦了，如果再没点儿苦中作乐的精神，那日子就太难过了。”张泰华说。更重要的是，对所有的队员来说，高原虽苦，但能做自己喜欢的事情，就是最大的乐。

5 言传身教

150多人的浮空器团队，大家齐心协力，心往一处想，劲往一处使。当问起秘诀何在，接受采访的人回答时都会表达同一个意思——言传身教，以身作则。

老队员带新队员在外场工作时，都是自己先做示范，一边工作一边讲解，边看边指导，直到新队员熟悉流程、能够“出师”为止。

“这种亲力亲为、团结协作的精神传承自团队的老一辈科学家。”杨燕初说。比如在团队中，退休后被返聘的研究员姜鲁华，坚守在一线跟年轻人一起熬夜加班，从不含糊。

“看到前辈都在努力工作，年轻人自然也要迎头赶上，优秀的科研传统与科学家精神就是这样传承下来的。”杨燕初颇为感慨。

在这样的团队中，没人偷懒，没人抱怨，看到别人需要帮忙就主动出谋划策，合力将每一部分都做成“木桶”的“长板”。新来的队员不需要特地做思想工作，就会被身边每一个人感染，自然而然成为了这支队伍的一分子。

空天院“80后”高级工程师张强辉，由于担心浮空器出现意外，总是在别人休息时加班排除故障；“90后”付强初次上高原时，高原反应严重，头重脚轻，但从没想过放弃，如今已是浮空器科考分队总调度，并且勇担重任，负责操作锚泊车。

为了发挥基层党组织战斗堡垒作用和党员先锋模范作用，浮空器团队在野外成立了临时党支部。在紧张的工作之余，临时党支部组织党员开展学习研讨活动。浮空器团队还组织青年科研骨干开展徒步或爬山活动，进一步增强团队凝聚力和战斗力。

“从小事做起，是我们这个团队的格言。作为一个面向工程的团队，只有踏踏实实做事，从小事入手，将每一颗螺丝钉拧好，才能完成国家交给的重任。”杨燕初说。