臨近空間環境探空火箭膨脹落球探測技術

史東波，胡雄，涂翠，韋峰，王欣穎

（中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190）

臨近空間是航天和航空的過渡區域。隨著航空和航天事業的發展，臨近空間已日益凸顯其重要的戰略地位，臨近空間環境探測也日趨迫切。30 km以上臨近空間大氣環境原位探測主要通過探空火箭方式實現，30～60 km大氣環境探測可使用探空火箭降落傘探空儀進行探測。由于60 km以上大氣密度較小，降落傘開傘時間過長，導致探空儀下落速度過快，使得降落傘探空儀無法進行60 km以上大氣環境探測。

膨脹落球作為另一種探空火箭的原位探測載荷，可完成30～100 km臨近空間大氣密度、風場、溫度和氣壓等大氣環境參數的原位探測。由于其具有探測要素多、探測高度范圍廣、載荷成本低、設備較為簡單等特點，已成國外60～120 km臨近空間環境探測的主要手段，并得已廣泛應用。

對于探空火箭膨脹落球技術，國外尤其是美國自20世紀 50年代起開始發展。NASA在 ARCASROBIN、LOKL DART、SIDEWINDER ARCAS、SPARROW HV ARCAS、VIPER-DART等系列氣象及探空火箭中均搭載過膨脹落球。在20世紀60，70年代，美國大規模發展氣象及探空火箭時期，其總共發射的1000多枚火箭中，有一半以上采了膨脹落球技術進行臨近空間原位環境探測。NASA膨脹落球實物如圖1所示[7]。

我國早在20世紀70年代也開始發展膨脹落球技術。中國科學院國家空間科學中心在 1974—1979年期間發展和平六號II型火箭膨脹落球探測技術，成功獲取了臨近空間40～65 km大氣密度、風場等環境參數。和平六號 II型膨脹落球如圖 2所示。針對 30～100 km的探測需求，中國科學院國家空間科學中心采用全新技術及工藝研制了新的膨脹落球。文中介紹了其探測原理、系統組成，并給出了仿真和反演結果。

1 膨脹落球簡介

1.1 探測原理

膨脹落球擬采用探空火箭為運載手段被帶入高空并釋放，在下落過程中，膨脹落球受到重力、大氣阻力、浮力、科里奧利力等的綜合影響。

式中：

因此膨脹落球下落過程中的加速度為：

式中：AS為球體的切面積；Cd為阻力系數；g為重力加速度；m為球體質量；V為球體的速度；Vr為球體相對于空氣的運動；Vb球體的體積；ρ為大氣的密度；ω為地球的角速度。

通過測量膨脹落球的位置、速度和加速度等信息，結合大氣靜立方程可反演獲得大氣密度、風場、溫度和氣壓數據。

將上方程式分解成 3 個直角分量。通過垂直的分量從而反演出大氣密度：

式中：gz為在 Z 高度上的重力加速度；WZ垂直的風分量，通常假定為0；z˙為球體速度的垂直分量；z˙˙為球體加速度的垂直分量；

溫度和氣壓使用靜力方程式和理想氣體狀態方程式從大氣的密度反演而得：

式中：h 為高度，積分變量；M0為干空氣的分子量；R 為通用的氣體常數；Ta為在基準高度上的溫度，K；Tz為在高度 z上的溫度，K；ρa為在基準高度a上的密度；ρh為高度間隔h 到a積分的密度；ρz在高度z的密度；P為氣壓；

大氣風場可利用膨脹落球位置、速度和加速度等測量數據及大氣密度得出：

式中：Wx，Wy，Wz為 x，y，z方向上的風速；x，y，z 為落球位置； x˙， y˙， z˙為落球 x，y，z 方向上的速度；x˙˙，y˙˙，z˙˙為落球x，y，z方向上的加速度。

1.2 系統組成

膨脹落球探測系統包括運載火箭、落球系統、地面遙外測系統和數據處理系統。新型膨脹落球實物如圖3所示。

運載火箭為探空火箭，為落球提供運載服務，將落球運送到指定高度并將其分離拋出。落球系統包括包裝殼體和膨脹落球，包裝殼體為落球與火箭艙段的適配殼體，起到保護膨脹落球的作用。膨脹落球為落球主體，包括球膜，自動充氣機構及角反射體等內置部件。地面遙外系統為探空火箭及膨脹落球提供遙外側服務，并將接收到的數據發送給數據處理系統。數據處理系統通過遙外側系統測得的膨脹落球數據進行數據反演，計算出大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環境參數。

1.3 探測過程

如圖4所示，膨脹落球在地面折疊完成后裝入探空火箭載荷艙；探空火箭發射后，在指定落球分離點進行落球分離釋放；落球在被釋放出去后通過內部自動充氣機構迅速完成自動充氣，并形成一個超壓球。落球由于慣性飛行至頂點開始下落，在下落過程中地面遙外側設備對落球位置、速度及加速度進行測量。落球下降至30 km左右，由于內部氣壓不大于30 km左右氣壓，落球產生形變，探測過程結束。數據處理系統通過膨脹落球遙外測數據進行大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環境參數的反演。

2 仿真及反演結果

假設膨脹落球直徑為1 m，質量為800 g，從海拔120 km以零速度開始下落，經歷如圖5所示的大氣環境參數。

膨脹落球在上述環境中的下落過程仿真結果如圖6所示。圖中橫軸為下落時間，縱軸為海拔高度，曲線軌跡表示不同時間球所處的高度，曲線顏色表示不同時間不同高度處球的下落速度。

根據1.1節介紹的算法，對膨脹落球經歷的臨近空間大氣環境參數進行反演，得到結果如圖7所示。從反演結果可知，在不考慮測量誤差的情況下，臨近空間大氣環境參數反演結果與真值符合得很好。

3 結語

文中介紹了探空火箭膨脹落球探測原理、系統組成和探測過程，仿真和反演結果表明該探測技術可行、數據可靠。

探空火箭膨脹落球探測技術作為臨近空間原位探測技術之一，可填補我國60～100 km大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環境參數原位探測的空白。與探空氣球技術，氣象火箭降落傘探空儀技術相結合，實現0～100 km臨近空間大氣環境的原位探測，可為臨近空間飛行試驗和發射及返回任務等提供必要的環境保障，為臨近空間環境科學研究等提供寶貴數據。