基于臨近空間浮空平臺的風(fēng)場探測技術(shù)一方面可為臨近空間大氣動力學(xué)和湍流科學(xué)研究提供寶貴的第一手資料，一方面也可為浮空平臺自身飛行提供風(fēng)場數(shù)據(jù)保障。由于臨近空間低氣壓特殊環(huán)境，地面風(fēng)速計(jì)產(chǎn)品不能在臨近空間正常工作。德國科學(xué)家曾研發(fā)了艇載超聲波風(fēng)速計(jì)，獲得18km以下數(shù)據(jù)，但在20km以上平飛期間失效。目前國內(nèi)外臨近空間浮空平臺測風(fēng)主要采用GNSS測風(fēng)技術(shù)。由于GNSS測量的平臺飛行速度與大氣真實(shí)風(fēng)速之間存在差異，該方法具有很大的局限性，尤其是對于主動飛行的浮空平臺（如飛艇）。因此，浮空平臺測風(fēng)技術(shù)已成為制約臨近空間科學(xué)研究和應(yīng)用發(fā)展的難題。

　　為解決該技術(shù)難題，空間中心胡雄研究員團(tuán)隊(duì)提出和開展了浮空平臺聲波測風(fēng)先進(jìn)技術(shù)研究。在中科院“鴻鵠”先導(dǎo)專項(xiàng)“臨近空間對太陽風(fēng)暴響應(yīng)特征觀測研究”任務(wù)支持下，團(tuán)隊(duì)骨干成員宋亮負(fù)責(zé)完成了風(fēng)速計(jì)的物理設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)研制工作，樣機(jī)參加了2019年和2020年在青海大柴旦開展的臨近空間綜合環(huán)境探測飛行實(shí)驗(yàn)，首次獲得了20km以上高度浮空氣球平飛期間的風(fēng)場探測數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)分析表明，風(fēng)速計(jì)獲得了高時間分辨率的真實(shí)大氣相對于浮空平臺的水平風(fēng)速，計(jì)算得到其功率譜指數(shù)在湍流區(qū)接近理論值，驗(yàn)證了臨近空間高度上拉格朗日大氣湍流慣性區(qū)的譜冪律理論。

　　該項(xiàng)技術(shù)的突破，可為臨近空間浮空平臺自主測風(fēng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，在臨近空間大氣動力學(xué)和湍流等科學(xué)研究中具有重要的意義。

　　有關(guān)先進(jìn)技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，風(fēng)速計(jì)及其飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果等研究成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT上正式發(fā)表。

　　Citation: L. Song, X. Hu, F. Wei, Z. Yan, Q. Xu and C. Tu, "Development of a Balloon-Borne Acoustic Anemometer to Measure Winds for SENSOR Campaign," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 71, pp. 1-10, 2022, Art no. 9508310, doi: 10.1109/TIM.2022.3189629.

圖1 浮空平臺風(fēng)速計(jì)與臨近空間綜合環(huán)境探測實(shí)驗(yàn)艙

圖2 （a）浮空平臺風(fēng)速計(jì)探測得到的緯向相對風(fēng)速變化；（b）浮空平臺平飛期間飛行高度變化

圖3 相對水平風(fēng)速湍流功率譜

　　（供稿：天氣室）