初衷是為了研究水汽傳輸
蘇洋、陳科迪、魏強強都是清華水利系水利水電工程專業(yè)的本科生。從字面上理解，他們干的似乎應(yīng)該是修大壩、疏河道、防水患的事兒，為什么會跟在天上的氣球打起了交道？蘇洋笑著說，河湖大壩只是水利研究的很小一部分內(nèi)容，事實上降雨、降雪等可能影響地表徑流的因素都屬于水文研究的范圍?！拔覀兊倪@項研究就跟水汽傳輸有關(guān)?！碧K洋說。
去年下半年，他們通過清華的“學(xué)生科研訓(xùn)練計劃”加入了水利系的這個研究項目。地表水蒸發(fā)，水汽在高空傳輸，然后通過降雨、降雪落地，匯入河湖。研究水汽如何傳輸，顯然要把天上的過程弄清楚?！斑@就是我們做‘智慧氣球’的最初緣由?！碧K洋說。
觀察水汽在高空傳輸過程，可以用最熱門的四旋翼無人機(jī)，也可以通過最傳統(tǒng)的高空氣象探測氣球。前者價格高昂，且受能耗、載重量的多重因素制約，后者雖價格便宜，可一旦放飛就無法收回，氣球只能在高空自爆，屬于一錘子買賣。“我們商量后決定自己研發(fā)一種智慧氣球，能放飛還能降落回收，通過傳感器實時傳輸高空數(shù)據(jù)，能耗小，空中停留時間長。”陳科迪告訴記者。
首次戶外試飛被強風(fēng)吹走
說干就干。他們通過淘寶買了5個氣象專用氣球，這些氣球和我們?nèi)粘？吹降耐婢甙婵赏耆灰粯樱鼈冏钚〉闹睆揭灿?米多，最大的直徑有3米多。要讓氣球升空，必須得注入分子量很低的氣體，常用的是氫氣或者氦氣，氫氣有爆炸的危險，因此氦氣成為了學(xué)生們的選擇，“800塊錢一鋼瓶，一米多的氣球可以充大約四次。”蘇洋說。
同時，他們還購入了GPS傳感器，溫度、壓強傳感器以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。GPS可以通過定位數(shù)據(jù)來測出氣球的水平移動速度，溫度、壓強的數(shù)值變化可以反映出垂直升降的速度，至于GPRS則用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)布操控指令。
硬件到位了，軟件還是一大問題。計算機(jī)軟件編程可不是水利系學(xué)生的專業(yè)技能，但他們沒有氣餒，對著產(chǎn)品說明書研究，找來編程課本自學(xué)，硬是“自學(xué)成才”，用單片機(jī)編出了一條條指令，“最多的時候代碼有上千行?！标惪频险f。
去年12月，他們的氣球第一次在校內(nèi)試飛，飛行高度最高達(dá)300米。由于害怕氣球一去不回，他們特意給氣球拴上了繩子。問題很快出現(xiàn)，由于天氣寒冷，他們給傳感器配置的普通電池太不禁用，幾分鐘就沒電了?！耙院髿馇蚩隙ㄒL期在高空作業(yè)，缺電肯定不行。”回到地面，他們想辦法把氣球傳感器的電池?fù)Q了。
隨著幾次試飛，“智能氣球”的表現(xiàn)越來越穩(wěn)定，真正戶外放飛實驗的時機(jī)到了。今年4月，通過指導(dǎo)老師的聯(lián)絡(luò)，他們帶著氣球來到了天津薊縣一個鄉(xiāng)村的放飛場。這是一片空曠的平原，視野良好，非常適合氣球升空及觀測。由于多次校內(nèi)放飛都非常順利，他們放松了警惕，沒有給氣球拴上繩子。沒想到，這次大意讓放飛出現(xiàn)了意外。
氣球升空后，很快就到了200米的預(yù)定高度。按照計劃，他們開始控制氣球降落。氣球以0.02克/秒的速度泄氣下降，但是短短10米之后，突然上空刮起了一股強風(fēng)，氣球高度迅速升高，任何人為操縱干預(yù)都不再有效果。最終，他們只能目送氣球越飛越遠(yuǎn)，最終消失在視野里。
加裝螺旋槳實現(xiàn)空中懸停
回到學(xué)校，他們對這次意外進(jìn)行了仔細(xì)分析和總結(jié)。雖然突遭強風(fēng)是失敗的重要原因，但也同時暴露出了氣球泄氣速度過慢導(dǎo)致自然環(huán)境抵抗力弱、升空后只能降落無法調(diào)整姿態(tài)的缺陷，“之前在學(xué)校里實驗，教學(xué)樓相對密集，沒有空曠的自然風(fēng)，沒有發(fā)現(xiàn)這個問題?！碧K洋說。
改進(jìn)立即進(jìn)行。他們通過調(diào)節(jié)控制程序，讓泄氣速率加快了5倍。他們還使用了脈沖控制閥門，來控制氣球在目標(biāo)高度實現(xiàn)近似懸停，然后加裝一部螺旋槳，實現(xiàn)在垂直方向上對氣球的升降進(jìn)行微調(diào)，使其可以維持在目標(biāo)高度。
此外，他們還對數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行了改進(jìn)，從GPRS手機(jī)信號改為無線Wi-Fi信號。對此陳科迪說，手機(jī)GPRS信號在基站密集的城市里使用沒有問題，但到了偏僻的戶外，信號就大大減弱，而Wi-Fi信號可以實現(xiàn)地面控制器和氣球傳感器“點對點”連接，不受影響。
蘇洋告訴記者，與四旋翼飛行器相比，螺旋槳為保持氣球高程穩(wěn)定所需要提供的升力僅有前者的1/1000左右。換而言之，獲得同樣長的滯空時間，“智慧氣球”所需要的電池容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通的四旋翼飛行器。
觀測霧霾污染更加靈活
記者了解到，團(tuán)隊目前已經(jīng)在為他們的科研成果申報專利。蘇洋說，今后他們還計劃給氣球在水平方向也裝一部螺旋槳，這樣氣球就能徹底變成一艘輕量化的“飛艇”，利用舵機(jī)來調(diào)整螺旋槳的方向，從而人為控制氣球的水平移動。
蘇洋說，他們還打算將整套傳感裝置輕量化，最理想的效果就是集合在一塊幾十克甚至更輕的芯片里，“實際應(yīng)用時可以三個氣球一起綁定升空，這樣載荷就能達(dá)到三公斤左右，足以負(fù)擔(dān)其他的科研觀測設(shè)備?！痹谥暗膶嶒炛?，他們曾經(jīng)在氣球上搭載過航拍儀，留下了清華校園的平面圖，也曾用PM2.5傳感儀測出不同高度上的數(shù)值，“在霧霾重污染時，通過氣球升空觀測，可以獲得各個高度的數(shù)據(jù)用來分析，這比高塔固定點觀測要更加靈活?！彼f。
未來，他們期待智能氣球還可以做更多的工作，比如城市巡邏，采集高空氣體樣本帶回地面進(jìn)行精確分析，攜帶碘化銀至高空濕氣團(tuán)實現(xiàn)精確人工降雨作業(yè)等。他們希望為氣球這個原始的飛行工具增添最新的科技，帶來新的活力。
來源：北京晚報