圖①：臺風(fēng)追蹤探測儀器整體。 　　圖②：下投探空與通信系統(tǒng)。 　　圖③：艦載臺風(fēng)探測雷達。 　　圖④：雙模態(tài)定點投送器。 　　圖⑤：低雷諾數(shù)投送器。 　　以上均為示意圖，由北京理工大學(xué)提供

　　正值臺風(fēng)活躍期，圍繞即將開展的追蹤探測臺風(fēng)的外場試驗，北京理工大學(xué)復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測中心科研人員正緊張忙碌著。

　　“如果順利，未來幾個月，我們研制的臺風(fēng)追蹤探測儀器‘成色’就將接受檢驗。”北京理工大學(xué)教授胡純難掩興奮：“團隊多年的努力，有望得到反饋?！?/p>

　　采集臺風(fēng)數(shù)據(jù)——

　　傳感器大小如指甲蓋，有許多特別的設(shè)計

　　探測中心的陳列間里，擺滿了團隊研制的創(chuàng)新產(chǎn)品。拿起一個傳感器，胡純興致勃勃地介紹：“采集臺風(fēng)數(shù)據(jù)，這是探測儀器的關(guān)鍵零部件之一?！?/p>

　　眼前的臨近空間超低氣壓傳感器，大小如指甲蓋，與一塊小型電路板相連，看上去并沒有什么特別。胡純接著解釋：“臨近空間距離地面約20千米至100千米，溫度、壓力極低，為適應(yīng)極端條件，這個傳感器其實有許多特別的設(shè)計。”

　　為何要專門研發(fā)儀器采集臺風(fēng)數(shù)據(jù)？現(xiàn)有的臺風(fēng)探測手段都有各自局限。比如，臺風(fēng)來臨時，通過放探空氣球，可以收集到一些外圍信息，但難以清楚臺風(fēng)內(nèi)核情況。氣象衛(wèi)星存在收集要素少、不精細等不足，且衛(wèi)星在臺風(fēng)上方過頂時間有限，無法較長時間追蹤觀測。地基氣象雷達一般只能在岸基探測，也同樣存在要素不充足、精度不夠高等缺點。

　　精確描述和預(yù)測臺風(fēng)，依賴于長期持續(xù)探測和高質(zhì)量數(shù)據(jù)。氣象科學(xué)家判斷，要研究臺風(fēng)強度的影響因素，必須采用專用儀器，從內(nèi)核區(qū)對臺風(fēng)進行多要素、長過程、精細化的直接探測。

　　走進探測中心實驗室，隨處可見類型多樣的儀器部件。科研人員告訴記者，它們主要分為四大核心部件，分別承擔(dān)精細探測、信息傳輸、飛行控制和同化模擬功能。

　　這些儀器如何靠近臺風(fēng)？“上天執(zhí)行任務(wù)，飛艇是這些儀器的‘母艦’?！贝蜷_團隊外場實驗視頻，北京理工大學(xué)教授、臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國重點實驗室副主任鄭德智說，“全部展開后，飛艇最大直徑可達20多米，長度則足足有100多米?！?/p>

　　“臺風(fēng)半徑可達數(shù)百千米、高度可達十幾千米，生命期為3到10天，目前只有飛艇可以在這個高度長時間停留。有了它，相當(dāng)于在臺風(fēng)上空的臨近空間布設(shè)了一個探測平臺。”鄭德智說，飛艇下方攜帶著研發(fā)的儀器，通過抵近外測與直接內(nèi)測相結(jié)合的方式，對臺風(fēng)進行抵近追蹤持續(xù)探測。

　　通過這套方法，科研人員有望反演分辨率至100米甚至50米級別的數(shù)字臺風(fēng)，這將極大提升人類對臺風(fēng)的認識，進而提高臺風(fēng)預(yù)報水平。

　　適應(yīng)極端環(huán)境——

　　研發(fā)從基本工作起步，電腦里裝滿了各式各樣的設(shè)計草案

　　按照設(shè)想，科研人員先用雷達追蹤臺風(fēng)位置，引導(dǎo)飛艇機動至臺風(fēng)中心上空。隨后，飛艇投放探空儀，通過傳感器采集到的溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等數(shù)據(jù)實時回傳至飛艇，再由飛艇傳輸至地面進行實時分析處理。

　　記者采訪時，胡純正帶領(lǐng)團隊驗證探空儀的功能。在模擬艙環(huán)境內(nèi)，模擬臨空環(huán)境低溫、低壓等特殊環(huán)境，再把10個探空儀放置其中，并觀測它們記錄數(shù)據(jù)的有效性和精度等。通常，一次實驗要持續(xù)一周左右。

　　記者小心翼翼接過一個探空儀，沒想到居然非常輕。

　　“探空儀主體用的是硬質(zhì)泡沫，金屬材料很少?！焙冋f，飛艇載荷限制很嚴(yán)格——整個載荷系統(tǒng)需控制在200公斤以內(nèi)，單個儀器的重量、體積、功耗被壓縮到極致。科研人員嘗試了不同種類的外殼材料，最終另辟蹊徑，選擇了硬質(zhì)泡沫。

　　研制臺風(fēng)探測儀器，極端環(huán)境是“攔路虎”。比如，飛艇上升過程中，溫度變化顯著，遠超普通工業(yè)級芯片耐受范圍。為讓傳感器穩(wěn)定工作7天以上，團隊設(shè)計了加熱控制系統(tǒng)，為傳感器“保暖”。

　　與飛艇協(xié)同作業(yè)，也是研制過程必須直面的挑戰(zhàn)。團隊在結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法上同時發(fā)力，確保了傳感器適應(yīng)飛艇動態(tài)姿態(tài)，穩(wěn)定運行。

　　“在臨近空間環(huán)境探測臺風(fēng)，之前沒人做過，我們許多工作都是從電路板設(shè)計、材料選型等基本工作起步?！焙冋f，“瞧，我電腦里裝滿了各式各樣的設(shè)計草案。”

　　以高動態(tài)濕度傳感器為例。適應(yīng)臺風(fēng)的惡劣環(huán)境，傳感器要在穿云過程中快速獲得精確的濕度值。為找到理想的材料，2020年，團隊聯(lián)合西安交通大學(xué)開展攻堅，有的學(xué)生在西安交通大學(xué)一待就是半年。

　　“從第一代開始，仿真、測試再設(shè)計，歷經(jīng)近4年反復(fù)迭代優(yōu)化，一次次微調(diào)才做出最終產(chǎn)品?！焙冋f。

　　邊研發(fā)邊外場試驗。2022年，經(jīng)過多輪實測，探測儀器進行了第一次系統(tǒng)集成。2022年底，飛艇在臨近空間飛行80天，飛艇可行性得到驗證。在江蘇鹽城，去年底團隊首次在運動平臺上驗證了全套系統(tǒng)性能，為后續(xù)高空探測奠定基礎(chǔ)。

　　探測中心里，科研人員或討論方案，或調(diào)試設(shè)備，他們正為臨近空間環(huán)境帶載荷的試驗沖刺?！敖?jīng)過前面的積累，我對接下來的試驗有信心?！编嵉轮钦f。

　　緊密協(xié)同攻關(guān)——

　　為了敲定一些試驗細節(jié)，經(jīng)常討論到凌晨

　　開展臨空環(huán)境臺風(fēng)探測，有可能深刻揭示臺風(fēng)生成、演化、突變的科學(xué)奧秘，推動我國臺風(fēng)精準(zhǔn)探測、科學(xué)認知與精確預(yù)報邁入領(lǐng)先行列。

　　聆聽創(chuàng)新歷程，記者感受到，走在行業(yè)前列，離不開團隊長期積累和前瞻作為。

　　團隊首席科學(xué)家、北京理工大學(xué)教授張軍長期專注飛艇相關(guān)技術(shù)研發(fā)。早期，張軍帶領(lǐng)團隊研制的飛艇主要用于應(yīng)急通信、對地觀測等，當(dāng)發(fā)生地震、洪水等自然災(zāi)害，幫助災(zāi)區(qū)保持信號暢通。為了充分利用飛艇能力，團隊嘗試探索在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。2017年，他帶領(lǐng)團隊與中國氣象局聯(lián)合實施艇載探空儀釋放試驗，這一飛艇技術(shù)的重大突破，讓開辟臺風(fēng)探測新路線成為可能。

　　在國家重大科研儀器研制專項等項目支持下，基于飛艇平臺，張軍帶領(lǐng)團隊攻關(guān)臺風(fēng)探測儀器。適應(yīng)臨近空間環(huán)境，科研人員從供電、飛行姿態(tài)、速度等方面進行了改裝，讓飛艇能夠充當(dāng)臺風(fēng)探測平臺。

　　緊密協(xié)同攻關(guān)是團隊持續(xù)創(chuàng)新的“奧秘”。鄭德智介紹，臺風(fēng)探測儀器核心部件包含飛行控制器系統(tǒng)、艇載氣象雷達、浮空氣象感知節(jié)點等七大關(guān)鍵設(shè)備，參與單位既有北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院等高校院所，也有北京天恒長鷹科技股份有限公司等企業(yè)，大家圍繞同一個目標(biāo)，擰成一股繩，高效完成了各自任務(wù)。

　　外場試驗，需要協(xié)調(diào)各方緊密配合。高校牽頭重大項目，在工程總體管理和支撐上相對較弱，北京理工大學(xué)團隊既做科研又承擔(dān)組織工作，上百人密切配合?！盀榱饲枚ㄒ恍┰囼灱毠?jié)，我們經(jīng)常討論到凌晨，大家的干勁讓我深受感動。”胡純說。

　　今年1月，北京理工大學(xué)聯(lián)合多家單位申報，獲批了臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國重點實驗室，這是我國在該領(lǐng)域唯一的全國重點實驗室。

　　“不只是服務(wù)臺風(fēng)預(yù)報，了解臨近空間環(huán)境也很有價值。”鄭德智說，臨近空間是衛(wèi)星、火箭等飛行器的重要活動區(qū)域，準(zhǔn)確了解這里的環(huán)境信息，有助于優(yōu)化飛行器設(shè)計，為我國航空航天事業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐?！罢雇磥?，團隊要做的工作還有更多?！?/p>

　　《 人民日報 》（ 2025年08月25日 19 版）

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