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星空下的“極目一號(hào)”。

浮空器團(tuán)隊(duì)成員在高原上搬運(yùn)未充氣的浮空器。

部分科考隊(duì)員在“極目一號(hào)”浮空器前合影。

在珠峰大本營利用系留氣柱進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)。

正在充氣的“極目一號(hào)”浮空器。

錨泊狀態(tài)下的“極目一號(hào)”浮空器。空天院供圖

海拔6204米，6608米，7003米，9032米，9050米……

自2017年項(xiàng)目立項(xiàng)以來，“極目一號(hào)”浮空器一次又一次刷新系留氣球駐空海拔高度的世界紀(jì)錄，在填補(bǔ)國內(nèi)空白的同時(shí)，獲取了大量寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，也因此被譽(yù)為“國之重器”。

負(fù)責(zé)研發(fā)“極目一號(hào)”浮空器的中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院浮空器系統(tǒng)研發(fā)中心（以下簡稱空天院浮空器中心）團(tuán)隊(duì)成員在接受采訪時(shí)紛紛表示：“這是一項(xiàng)凸顯中國科學(xué)院體系化、建制化優(yōu)勢(shì)的團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)成果?！?/p>

1?超越高山

“如果沒有來自科研一線的需求，我們也不會(huì)追求極致的高度?！笨仗煸焊】掌髦行闹魅螚钛喑跽勂稹皹O目一號(hào)”的研發(fā)初衷時(shí)這樣說。他認(rèn)為這是一次科學(xué)家和工程師專業(yè)互補(bǔ)的成功合作。

以青藏高原為核心的地球“第三極”，固態(tài)水儲(chǔ)量僅次于南北極。作為地球上近20億人賴以生存的十多條大江大河和數(shù)以千計(jì)的大小湖泊的源頭，它被稱為“亞洲水塔”。

2017年，中國科學(xué)院青藏高原研究所（以下簡稱青藏高原所）提出，希望對(duì)大氣垂直剖面進(jìn)行觀測(cè)，弄清青藏高原東南部水汽以及二氧化碳、甲烷等變化，以了解在全球變暖過程中亞洲水塔的變化。在此之前，高海拔地區(qū)，特別是海拔6500米以上區(qū)域，受地形以及極端天氣影響，觀測(cè)手段有限，原位觀測(cè)數(shù)據(jù)匱乏。所以該區(qū)域垂直剖面的大氣原位觀測(cè)還是空白。

想要填補(bǔ)這一空白，使用在高空中駐留時(shí)間長、能攜帶一定重量的觀測(cè)設(shè)備，并用纜繩系留固定在地面錨泊設(shè)施上的浮空器進(jìn)行觀測(cè)當(dāng)數(shù)最佳選擇。

“青藏高原所提出的條件最簡單也最難實(shí)現(xiàn)，浮空器的駐留高度要比山高。”空天院正高級(jí)工程師、浮空器項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張?zhí)┤A一直將這個(gè)條件謹(jǐn)記于心，“因?yàn)樗膫鬏斠缭缴巾?，所以浮空器的駐留高度只有超越山頂，才能準(zhǔn)確觀測(cè)到這些數(shù)據(jù)”。但在高原上，高山就像一堵墻，氣流在山峰下方相對(duì)穩(wěn)定，而一旦超過山的高度就會(huì)陡然發(fā)生變化。“除了氣流擾動(dòng)，每升高100米，溫度、濕度，尤其風(fēng)速風(fēng)向和大氣電場(chǎng)都會(huì)發(fā)生很大變化?！睆?zhí)┤A補(bǔ)充道。

從西藏林芝魯朗地區(qū)到納木錯(cuò)湖畔高山，再到珠穆朗瑪峰，要超過的山一座高過一座，“極目一號(hào)”浮空器的駐留高度也隨之一再攀升?！皹O目一號(hào)”的名字由此而來，寓意“極目遠(yuǎn)眺”。

“極目一號(hào)”浮空器是個(gè)“小家庭”，在這個(gè)“小家庭”中，Ⅰ型為試驗(yàn)而生，Ⅱ型為滿足大多數(shù)觀測(cè)條件而設(shè)計(jì)，Ⅲ型則是因浮空器團(tuán)隊(duì)努力實(shí)現(xiàn)需求、追求極致而生。

為了實(shí)現(xiàn)扶搖直上9000米的極致目標(biāo)，“極目一號(hào)”Ⅲ型的艇體被設(shè)計(jì)為長55米、體積9060立方米的龐然大物。“這么大的體形是經(jīng)過精密計(jì)算得出的優(yōu)化尺寸，既為了將多種大質(zhì)量載荷從地面攜帶至海拔9000米的高度，也為了在高空亂流中提供足夠的穩(wěn)定性?！笨仗煸赫呒?jí)工程師、浮空器項(xiàng)目負(fù)責(zé)人何澤青解釋道。

2?集團(tuán)作戰(zhàn)

最初接到任務(wù)時(shí)，浮空器團(tuán)隊(duì)從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，想以氣柱為外形制造浮空器。但在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣柱外形的浮空器根本無法抵抗高原上的氣流。于是，團(tuán)隊(duì)凝練出“大白鯨”的設(shè)計(jì)思路：“大”指浮空器尺寸大，“白”指浮空器采用反射光線、減少紫外線吸收的白色，“鯨”則指它采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)形似鯨魚。不過，浮空器的尾部并不像鯨魚，而是采用倒Y形設(shè)計(jì)，這樣能夠更好地保證浮空器在空中姿態(tài)的穩(wěn)定。

外形追求極致，所用材料自然要求更高。由于以往使用的進(jìn)口材料來源受阻，浮空器團(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)球體分系統(tǒng)的科研人員找到中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（以下簡稱長春應(yīng)化所），希望他們可以生產(chǎn)出高低溫性能良好，同時(shí)抗老化、耐揉搓且具備良好氣密性能的材料。

接到任務(wù)的長春應(yīng)化所立刻成立課題組，面向浮空器材料展開攻關(guān)，最終研發(fā)出一種輕質(zhì)低密度低滲高強(qiáng)抗輻射復(fù)合材料，可以滿足“極目一號(hào)”的任務(wù)需求。由此，“全副武裝”的浮空器可以更好地應(yīng)對(duì)青藏高原嚴(yán)酷的自然條件考驗(yàn)，對(duì)抗外部雨雪風(fēng)沙；內(nèi)部氣體泄漏大大減少，浮空器的使用壽命與復(fù)用次數(shù)都得到了極大增加。

何澤青記得，有一次，在“極目一號(hào)”充氣過程中，地面風(fēng)向突然改變，由此前預(yù)報(bào)的南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)。這讓現(xiàn)場(chǎng)隊(duì)員十分緊張，因?yàn)槌錃膺^程是浮空器最脆弱的時(shí)候，一般會(huì)選擇天氣條件較好且穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，氣體由浮空器頭部注入，逐漸充滿整個(gè)浮空器。但當(dāng)風(fēng)向突然改變時(shí)，空氣中的亂流會(huì)對(duì)尚未成型的浮空器產(chǎn)生干擾，造成局部應(yīng)力過大，情況嚴(yán)重的話可能將浮空器撕裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。所幸，材料足夠堅(jiān)韌。現(xiàn)場(chǎng)隊(duì)員經(jīng)過研判，認(rèn)為雖然是短時(shí)強(qiáng)風(fēng)，但風(fēng)向相對(duì)固定，于是他們一邊小心翼翼地控制錨泊車的角度，一邊加快充氣速度。歷經(jīng)10小時(shí)，浮空器的充氣過程終于完成，轉(zhuǎn)入錨泊狀態(tài)。

像這樣驚險(xiǎn)的情況還有很多，但經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員通力協(xié)作，每次都化險(xiǎn)為夷。在這背后，除了球體分系統(tǒng)功不可沒，與之匹配的測(cè)控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、地面錨泊分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)各司其職又協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同樣“勞苦功高”。

例如，載荷分系統(tǒng)作為科研人員的“眼睛”和“耳朵”，用于觀測(cè)收集所需數(shù)據(jù)。為了在高海拔區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境、低溫低氣壓高風(fēng)速環(huán)境中保障各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，隊(duì)員們做足了準(zhǔn)備。他們針對(duì)高空低溫低氣壓的極端情況，對(duì)原本開放的設(shè)備艙體進(jìn)行專門的保溫保壓設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了監(jiān)測(cè)大氣電場(chǎng)在垂直高度的變化，由中國科學(xué)院電工研究所研制的電場(chǎng)傳感器為“極目一號(hào)”載荷分系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)保障。

此外，浮空器團(tuán)隊(duì)還與企業(yè)合作研制了主系纜?！爸飨道|相當(dāng)于浮空器與錨泊車之間的生命線，不僅起到浮空器與地面的連接和固定作用，還具有為浮空器提供電力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)又是浮空器回收的關(guān)鍵?！睏钛喑醣硎?。經(jīng)過幾輪修正，最終應(yīng)用在“極目一號(hào)”Ⅲ型上的主系纜直徑僅2厘米，卻容納了電纜、承力層以及相關(guān)填充物。更重要的是，6000米長度的主系纜總重僅1.2噸，卻能扛住近20噸的拉力。

3?精益求精

在通力合作的浮空器團(tuán)隊(duì)中，每位成員都積極出謀劃策，為提高浮空器各方面質(zhì)量提供思路?！案】掌鞯难邪l(fā)有木桶效應(yīng)，意思是團(tuán)隊(duì)的短板決定了浮空器的整體性能?！睏钛喑跽f，“所以每個(gè)人都努力成為‘長板’?！?/p>

以浮空器充氣過程為例，要將氦氣注滿這個(gè)龐然大物，按照開始設(shè)計(jì)的400立方米/小時(shí)的輸氣速度，需要5到7個(gè)小時(shí)才能完成。因?yàn)樽畛踉O(shè)計(jì)的是軟式充氣口，不僅效率低，而且高壓氦氣注入時(shí)容易對(duì)浮空器材料產(chǎn)生沖擊。為防止意外，充氣時(shí)需要有人值守，甚至用手固定接口。氦氣充氣過程的溫度極低，所以負(fù)責(zé)值守的工作人員會(huì)戴上多層厚手套用于保暖。但有一次，浮空器在充氣時(shí)遇到意外情況，負(fù)責(zé)固定接口的年輕隊(duì)員沒來得及套上厚手套，卻又因?yàn)榍闆r特殊，無人替換，只能一直堅(jiān)持到充氣結(jié)束。充氣完成后，他的手被凍僵了。

空天院助理研究員屈維決心解決這一問題，為此發(fā)明了硬式充氣口。硬式充氣口采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及緩沖材料，對(duì)高壓氦氣進(jìn)行減壓、減速、增流。這一發(fā)明不僅增加了充氣的安全性，還將充氣速度從400立方米/小時(shí)大幅提高到2500立方米/小時(shí)。按照極限工況計(jì)算，可在1個(gè)小時(shí)內(nèi)完成“極目一號(hào)”Ⅲ型充氣。

充氣時(shí)間在縮短，浮空器加工速度也在提升。在浮空器團(tuán)隊(duì)的150多人中，一部分女隊(duì)員負(fù)責(zé)浮空器材料拼接工作。她們要做的是將100多片薄膜一樣的材料拼接起來，這一過程就像縫衣服，只是更復(fù)雜，對(duì)工藝要求也更嚴(yán)格。經(jīng)過她們的摸索和實(shí)踐，兩片材料壓合的時(shí)間從6秒縮短至3秒，在保障質(zhì)量的同時(shí)有效提高了浮空器的加工效率。

針對(duì)載荷設(shè)備艙保溫板裝配與拆除速度慢的問題，隊(duì)員們發(fā)明了快速拆裝保溫板，通過在保溫板上增加硬式包邊以及多個(gè)快速拆裝卡扣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了保溫板的重復(fù)利用以及快速拆裝，同時(shí)兼顧了外形美觀的需求。

多團(tuán)隊(duì)跨領(lǐng)域協(xié)作，對(duì)方案進(jìn)行修改、調(diào)整甚至推翻重來都是常事。“每一次涉及元器件更換等較大調(diào)整，對(duì)于浮空器都是一次新的考驗(yàn)?！焙螡汕嗾f，“第一版時(shí)間磨合最長，越往后調(diào)整內(nèi)容越少、時(shí)間越短?！痹诤螡汕嗟碾娔X中，“極目一號(hào)”的方案一共存了9個(gè)修改版本。

4?苦中作樂

自從加入“極目一號(hào)”項(xiàng)目以來，張?zhí)┤A作為領(lǐng)隊(duì)，已經(jīng)先后12次前往青藏高原?！啊畼O目一號(hào)’每次執(zhí)行任務(wù)前，我和同事都會(huì)先查閱資料，充分了解當(dāng)?shù)氐臍v史氣象資料、環(huán)境情況、空域情況等，經(jīng)過綜合分析初步確定地點(diǎn)，再結(jié)合實(shí)地考察，摸清當(dāng)?shù)貧饬鞯奶攸c(diǎn)和規(guī)律，找到自然條件影響最小的地點(diǎn)開展試驗(yàn)，最后確定目的地?！睆?zhí)┤A介紹，試驗(yàn)正式開始后，他作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人都會(huì)堅(jiān)守現(xiàn)場(chǎng)。“每次上高原都是對(duì)身體和意志的極度考驗(yàn)，瘦十幾斤是常事?！?/p>

高原上缺電少水，為了省事，浮空器團(tuán)隊(duì)用高壓鍋煮面條，煮出的面糊糊就是他們的食物。高原上風(fēng)沙大，吃飯時(shí)嘴里進(jìn)沙子是常事，如果風(fēng)再大些，簡易房中也會(huì)進(jìn)沙子。“被子上都是土?！睆?zhí)┤A笑著說。

到后期，吃飯、睡覺都能湊合，但人的思維卻因?yàn)槿毖踝兊镁徛??！捌匠８杏X挺容易的事，在高原上要想半天才能明白。高原上空氣稀薄，干活也費(fèi)力，低海拔時(shí)一個(gè)人干的活兒，在那里需要兩三個(gè)人?！睆?zhí)┤A說。

自然環(huán)境的艱苦可以憑借意志克服?！拔覀冏钆碌氖巧。?yàn)槲覀兠恳淮蔚鸟v地都距離城市很遠(yuǎn)，至少一兩百公里，有時(shí)三四百公里。如果生的是急病，后果很難想象?！闭f到這里，張?zhí)┤A的聲音低沉下來。

盡管如此，和他一起并肩戰(zhàn)斗的同事經(jīng)常帶病出征。何澤青曾在一次執(zhí)行任務(wù)前患上急性膽囊炎，醫(yī)生建議他動(dòng)手術(shù)，但他考慮到手術(shù)后需要時(shí)間恢復(fù)，來不及參與科考任務(wù)，固執(zhí)地選擇了保守治療，直到現(xiàn)在還在吃藥；浮空器科考分隊(duì)執(zhí)行副隊(duì)長喬濤到達(dá)青藏高原后，血液收縮壓一度飆升至190mmHg，一邊吃降壓藥，一邊堅(jiān)持工作。

“空天院黨委書記蔡榕每次都跟大家一起上高原，有一次暈車和高原反應(yīng)癥狀疊加，血氧飽和度只有60%多，大家讓他去拉薩休整，結(jié)果他第二天就回來了?！?張?zhí)┤A回憶道。

張?zhí)┤A與何澤青并不要求團(tuán)隊(duì)同事每次都參加高原外場(chǎng)試驗(yàn)，但他們一回都沒落下，和大家“寓研于樂”，打成一片?！案咴沫h(huán)境已經(jīng)足夠艱苦了，如果再?zèng)]點(diǎn)兒苦中作樂的精神，那日子就太難過了。”張?zhí)┤A說。更重要的是，對(duì)所有的隊(duì)員來說，高原雖苦，但能做自己喜歡的事情，就是最大的樂。

5?言傳身教

150多人的浮空器團(tuán)隊(duì)，大家齊心協(xié)力，心往一處想，勁往一處使。當(dāng)問起秘訣何在，接受采訪的人回答時(shí)都會(huì)表達(dá)同一個(gè)意思——言傳身教，以身作則。

老隊(duì)員帶新隊(duì)員在外場(chǎng)工作時(shí)，都是自己先做示范，一邊工作一邊講解，邊看邊指導(dǎo)，直到新隊(duì)員熟悉流程、能夠“出師”為止。

“這種親力親為、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神傳承自團(tuán)隊(duì)的老一輩科學(xué)家。”楊燕初說。比如在團(tuán)隊(duì)中，退休后被返聘的研究員姜魯華，堅(jiān)守在一線跟年輕人一起熬夜加班，從不含糊。

“看到前輩都在努力工作，年輕人自然也要迎頭趕上，優(yōu)秀的科研傳統(tǒng)與科學(xué)家精神就是這樣傳承下來的?！睏钛喑躅H為感慨。

在這樣的團(tuán)隊(duì)中，沒人偷懶，沒人抱怨，看到別人需要幫忙就主動(dòng)出謀劃策，合力將每一部分都做成“木桶”的“長板”。新來的隊(duì)員不需要特地做思想工作，就會(huì)被身邊每一個(gè)人感染，自然而然成為了這支隊(duì)伍的一分子。

空天院“80后”高級(jí)工程師張強(qiáng)輝，由于擔(dān)心浮空器出現(xiàn)意外，總是在別人休息時(shí)加班排除故障；“90后”付強(qiáng)初次上高原時(shí)，高原反應(yīng)嚴(yán)重，頭重腳輕，但從沒想過放棄，如今已是浮空器科考分隊(duì)總調(diào)度，并且勇?lián)厝?，?fù)責(zé)操作錨泊車。

為了發(fā)揮基層黨組織戰(zhàn)斗堡壘作用和黨員先鋒模范作用，浮空器團(tuán)隊(duì)在野外成立了臨時(shí)黨支部。在緊張的工作之余，臨時(shí)黨支部組織黨員開展學(xué)習(xí)研討活動(dòng)。浮空器團(tuán)隊(duì)還組織青年科研骨干開展徒步或爬山活動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)凝聚力和戰(zhàn)斗力。

“從小事做起，是我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)的格言。作為一個(gè)面向工程的團(tuán)隊(duì)，只有踏踏實(shí)實(shí)做事，從小事入手，將每一顆螺絲釘擰好，才能完成國家交給的重任?！睏钛喑跽f。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-10-24?第4版?專題）