國內氣象氣球專利技術的研究

劉偉平 莫雅琴

摘 要：氣象氣球是攜帶探空儀器進行空中氣象要素探測的一種運載工具。通過查詢國內氣象氣球相關專利，分析了國內企業關于氣象氣球申請量的排名、專利類型的分布，并以國內氣象氣球專利擁有量最多的企業和發明人為研究對象，檢索了國內專利申請的地域分布，研究了氣象氣球行業在當前形勢下，發展自主知識產權、提升氣象氣球升空高度與應用技術的必要性。

關鍵詞：航空;航天科學技術 ?;氣象氣球 ; 專利分析 ?;技術分布

1 引言

氣象氣球是攜帶探空儀器進行空中氣象要素探測的一種運載工具，為航空兵作戰、航天器飛行、艦艇航行、射彈飛行、導彈發射和制導等軍事行動，以及航天、航空、宇宙飛行技術、進行空間軍事研究、天氣預報提供更精準的數據支持，為國防科研和軍事行動提供安全保障【1】。我國膠乳氣球的研制和生產已有50 年歷史了，在黨和各級政府的關懷下，根據我國國防、氣象、航空和科研事業的發展需要，已成功研制了10#～200#五種不同規格的天然膠乳探空氣球，為了滿足氣象事業發展需要，先后開發了300g～1600g等多種規格型號的天然膠乳探空氣球【2】。本文利用專利情報分析方法，對我國氣象氣球領域專利技術的申請現狀、研究熱點、專利布局等進行了多角度分析，以期為相關技術人員和科技管理人員提供科學依據和有益參考。

2 研究目的

本文通過對國內相關專利進行檢索、分析和解讀后，對目前氣象氣球專利技術分布情況有所了解，并對當前國內氣象氣球產業界存在的較為突出的問題解決有所助益。

（1）目前國內氣象氣球相關專利的技術分布情況。

（2）如何研制出施放方便、高度更高、用途更廣的氣象氣球，有效提高高空探測的技術水平，滿足高空氣象探測需求【3】。

（3）如何實現氣象氣球多功能化發展，組網進行常態化業務探測，提高臨近空間環境探測的時空分辨率和覆蓋率【4】。

3氣象氣球檢索過程及查全查準評估

3.1檢索策略

因該領域相對專業，相關技術詞匯相對集中，因此主要使用關鍵詞檢索，再使用相關IPC分類號進行初步限定，查全后，利用行業內特定申請人和發明人進行檢索，并對初步檢索結果進行補充。

3.2專利檢索要素表及注釋

3.3檢索歷史記錄：

（1）通過查詢關鍵詞（探空+氣象+系留+探風+探云+測風+測云+定高+平流層+低溫+氣候）得到的檢索結果為110136條; （2）通過查詢關鍵詞（氣球+氣囊+載具+運載工具） 得到的檢索結果為37296條; （3）將（1）和（2）交集后得到的檢索結果481條;

得到初步查全結果！ （4）通過查詢分類號 c08 得到檢索結果149926條;

（5）通過查詢分類號g01得到檢索結果505171條; （6）將（4）和（5）相加得到檢索結果654184條; 補充檢索：分類號 C08 ? G01 （7）將（3）和（6）交集得到檢索結果87條。

3.4數據采集及標引

通過專利數據庫——智慧牙將批量去噪后的87項專利導出為Excel文件，并在進行數據人工標引的過程中同時進行數據人工去噪，人工去噪后的國內氣象氣球相關專利僅為47項，對這47項專利逐一進行自定義字段的標引，主要分為技術分支標引和技術功效標引。

國內氣象氣球專利技術分支標引包含放球裝置、制備方法、生產設備、檢測方法及設備、承載工具、乳膠雜件六大分支【5】;技術功效標引包含降低使用成本、拓展使用領域、提高施放效率、適應惡劣氣候、提高檢測準確性、提高產品質量六大功效【6】。

4國內氣象氣球專利圖標分析

4.1氣象氣球申請量/授權量趨勢分析

圖1中可以看出，2009年之前的氣象氣球相關專利申請量水平較低，但自2009年開始，專利申請量有較為明顯的攀升，并且此后數年內，較以往保持了相對較高的申請量，根據增長趨勢判斷，2013年和2014年的申請量仍將會保持較高的增長水平，近年來在該領域內專利布局動作較以往頻繁許多。

4.2專利類型及有效性分析

從圖2可以看出，在該領域中發明和實用新型專利申請量差距較小，說明該領域中產品和方法的研發進展比較均衡，但是絕對申請量較少，相信有較多專利布局點有待挖掘，此外PCT專利僅有1件，究其原因，因國外公司大部分使用商業秘密方式進行保護本企業的知識產權，因此在我國內的專利布局行為較為少見;圖3中可見本領域中的有效專利量比例較大，原因如下：本領域中專利較為集中在2004年以后，大部分仍處于有效保護期中。

4.3主要專利申請人研發能力分析

從圖4可以看出，前6位專利權人都是企業，表明該領域技術門檻相對較高，個人發明人較少;6家單位中有5家是國企或者是政府/事業單位，表明該領域因其用途較為敏感，國有資本占據了主流優勢地位;其中中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司在該領域中的專利申請量占據絕對優勢，這與該單位在國內相關產業中的地位以及產品產量也是相符的。

4.4主要專利申請人發明專利分析

圖5中可以看出，中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司的發明專利申請占其申請總量的絕大部分，表明其專利意識與專利保護能力與其在該領域內的國內領軍地位較為相符。此外，由于該領域的知識產權保護模式較為特殊，因此總申請量和各申請人的絕對申請量都少，這并不表明上述企業的技術儲備和研發能力的真正水平。

4.5主要發明人分析

圖6中可以看出，肖迪娥和黃江平在國內氣象氣球領域中均有較大建樹，從產業實際情況來看，上述兩人分別是中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司和南京大橋機器有限公司的領頭人、其領導的研發團隊也是上述兩家公司的中堅力量。

4.6技術分支與技術效果矩陣分析

從圖7可以看出，專利申請主要集中在：氣象氣球作為承載工具在傳統應用領域外的拓展使用、放球裝置在提高效率/適應惡劣氣候上的改進以及為提高產品質量而在制備方法上的改進等三個子領域中。

5主要結論和建議

5.1目前國內氣象氣球相關專利的技術分布情況

氣象氣球專利技術的分支主要集中在放球裝置、承載工具（用途）方面，但對生產、檢測方法和設備的專利申請相對較少。

現有專利技術的成效主要集中在提高施放效率、拓展適用領域、提高產品質量，在降低生產及使用成本、促進環境保護等方面成效不明顯。

5.2如何研制出施放方便、高度更高、用途更廣的氣象氣球，有效提高高空探測的技術水平，滿足高空氣象探測需求。

目前國內外采用天然膠乳為主體材料研制的氣象氣球升空高度最高的是日本研制的3000g規格氣球，其升空高度為39km。飛行到50km的橡膠氣球伸長率至少要達到1000%，而目前國內氣象氣球伸長率基本在800%左右【7】。研究影響天然膠乳質量的農業栽培因素和加工因素，提煉天然膠乳優選技術，并通過物理及化學改性技術進一步提升其伸張性能，研制出專用膠乳，并在配方設計中采用耐寒、耐臭氧、耐紫外線老化功能強的納米添加劑，增強配合膠乳的物理力學性能【5】。優化分散體制備工藝及成型工藝，使研制的氣象氣球升空高度達到40-50km。

為提高臨近空間氣象氣球升空有效性和高度可靠性，研究大氣要素（尤其是氣壓、密度、風等）分布與變化規律，優化設計氣象氣球氣動外形，形成氣象氣球施放技術;為延長氣象氣球工作服務時長及提高利用率，開發氣象氣球定高技術，研究氣象氣球與負載設備的連接與分離技術、氣象氣球升速及姿態與負載設備的匹配應用、智能測控工作曲線設計等，實現定高與往返探測。此外，開展氣象氣球的自動釋放適應性研究可以節省人力成本，實現無人值守自動探空系統。

5.3如何實現氣象氣球多功能化發展，組網進行常態化業務探測，提高臨近空間環境探測的時空分辨率和覆蓋率。

氣象氣球作為一種施放便捷、無動力廉價的升空載體，搭載設備可以極其多樣化，從而可滿足民事和軍事上諸多的用途【1】。目前，我國36km以上高空探測主要依靠發射氣象火箭或激光雷達、衛星遙感來實現，但由于受成本費用高（火箭發射約50萬/枚）、安全隱患大、數據精度低等多方面因素的制約，應用范圍受到了很大的限制。氣象氣球攜帶探空儀升空探測具有成本低、操作靈活、施放安全性能高等優點，可組網進行常態化業務探測，提高臨近空間環境探測的時空分辨率和覆蓋率。

5.4 建議 5.4.1建議今后氣象氣球的科研研究著重轉向生產、檢測方法和設備這兩項專利技術分支，將技術成效轉向降低生產及使用成本、促進環境保護等方面，并積極申請專利。 5.4.2建議開展中高層氣象氣球的研究。在國外，美國和日本開發出了50km高度氣球，國內尚無可達此高度的氣象氣球。通過研究影響天然膠乳性能的影響因素，優選高伸長率的高品質膠乳;研究橡膠低溫膨脹及結晶性能，采用接枝、并用等技術對天然膠乳進行改性;應用性能優良的新型高效防老劑及耐寒增塑劑等，優化分散體制備工藝，增加氣球耐寒性能和老化性能;研究大型氣球成型模具及成型工藝、成型工裝設計制造;研究氣球升空力學性能，使研制的氣象氣球升空高度達到50km以上【7】。

5.4.3 建議開展氣象氣球施放、定高與往返探測測控技術研究。為提高臨近空間氣象氣球升空有效性和高度可靠性，研究大氣要素（尤其是氣壓、密度、風等）分布與變化規律，優化設計氣象氣球氣動外形，形成氣象氣球施放技術;為延長氣象氣球工作服務時長及提高利用率，開發氣象氣球定高技術，研究氣象氣球與負載設備的連接與分離技術、氣象氣球升速及姿態與負載設備的匹配應用、智能測控工作曲線設計等，實現定高與往返探測【8】。此外，開展氣象氣球的自動釋放適應性研究可以節省人力成本，實現無人值守自動探空系統。

參考文獻：

[1]肖迪娥、張望.氣象氣球的現狀和發展趨勢（一）【J】.中國橡膠，2009，25（9）：11-14.

[2]肖迪娥、張望.氣象氣球的現狀和發展趨勢（二）【J】.中國橡膠，2009，25（10）：9-11.

[3]ISO_17717_2017（E）.Meteorological balloon-Specification [S]. Switzerland：ISO/TC 45 - Rubber and rubber products，2017：9-15.

[4]GJB1961-94，新系列氣象氣球規范[S] . 北京：國防科學技術工業委員會，2009：2-3

[5]肖迪娥.新編乳膠工藝【M】.北京：化學工業出版社，2013：78-92.

[6]中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司.一種氣象氣球及其生產方法[P].中國專利，ZL200910043069.1，2011-05-18.

[7]肖迪娥.我國GCOS高空站1600g氣球長度與爆破直徑的確定【J】. 氣象水文海洋儀器，2009，26（4）：60-63.

[8]黃炯、肖迪娥、趙米洛.中高層氣象氣球的應用研究【R】.北京：中國氣象學會，2014.

作者簡介：

劉偉平（1974-），女，漢族，湖南醴陵，高級工程師，本科，主要研究方向：科研管理。

莫雅琴（1986-），女，漢族，湖南雙峰，工程師，本科，主要研究方向：知識產權管理。