胡純：從風暴之巔到安全彼岸，以科學之光點亮低空未來
發(fā)布日期：2026-02-12 供稿：《中國青年》雜志 攝影：本人提供
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：【編者按】為深入貫徹落實學校第十六次黨代會精神，開展好“自信自強、奮楫卓越”主題宣傳，全面弘揚“領(lǐng)軍”文化，展現(xiàn)廣大教師在教書育人、科研攻關(guān)、服務國家戰(zhàn)略中的良好精神風貌，定格師者榮光，彰顯榜樣力量，黨委宣傳部特策劃推出《領(lǐng)軍?師者星輝》專題，致敬堅守育人初心、勇?lián)鷱妵姑摹邦I(lǐng)軍人”。今天讓我們一起走近前沿交叉科學院胡純教授，了解他投身氣象探測領(lǐng)域研究的奮斗故事。
從風暴眼的上方看風暴，是什么感覺？
北京理工大學前沿交叉科學院的胡純教授站在實驗室里，介紹起他所從事的低空氣象探測工作，“臺風來的時候，從上部將探測器空投入臺風中心，可以從中獲取關(guān)于臺風和氣象的精準數(shù)據(jù)，”他手持探空儀比畫著，“那感覺，就像是以‘上帝視角’在俯視臺風?！憋w艇、雷達、火箭、無人機……多個部件集成于一體，在飛行中實現(xiàn)精細化的原位探測、獲取高分辨率的數(shù)據(jù)，這是胡純所在團隊創(chuàng)新設計并研制出的低空氣象探測儀所實現(xiàn)的技術(shù)突破。
這種突破，能夠有效提高低空氣象探測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性?！巴ǔ?，我們都是用雷達來觀測，所能實現(xiàn)的分辨率一般是公里級別的。”而胡純所在的復雜環(huán)境科學探測中心研制的低空氣象探測儀器，可以將分辨率縮小至10米乃至5米的級別，其每秒鐘傳輸一組數(shù)據(jù)的高精度、高密度數(shù)據(jù)采集能力，可以對低空大氣環(huán)境進行多要素、長過程、精細化直接觀測，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
低空氣象探測：為飛行插上“智慧翅膀”
近年來，隨著低空空域逐步開放試點，以通用航空產(chǎn)業(yè)為主導的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，低空經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。低空飛行，具有“一高兩短”即飛行密度和頻次高、單次飛行時間短、單次飛行距離短的基本特征，這些特征決定了對低空飛行活動的高影響天氣應對，不能以預報為主，需要實時掌握起降點以及飛行線路上的氣象狀況，由此就對低空飛行的氣象保障等提出了更高要求，急需加大在低空氣象探測技術(shù)、飛行安全保障設施等方面的投入與探索，更加精準地刻畫出低空大氣氣象環(huán)境，以保障低空飛行的安全、有序、高效開展。
如果能夠預先判斷哪里有雷雨，還能預測出雷雨的范圍，飛行器是不是可以從雷雨云團的間隙中穿過去？“為了安全，還是不要這么穿越，可以選擇從外圍繞過去……”胡純教授委婉地笑。準確識別氣象條件和范圍，給予時間和空間上的有效選擇，這是胡純所在團隊已經(jīng)實現(xiàn)了的研發(fā)成果。
胡純是學校在低空氣象探測領(lǐng)域的主要研究人員之一，研究方向集中于先進傳感與智能儀器、氣象信息感知與探測以及智能信號處理。低空氣象探測，不僅是低空飛行的重要一環(huán)，也是低空經(jīng)濟安全運行的基石之一。依托空地一體新航行系統(tǒng)技術(shù)全國重點實驗室、復雜環(huán)境智能感測技術(shù)工信部重點實驗室等優(yōu)勢資源，胡純所在團隊開發(fā)出了基于飛艇平臺的氣象探測系統(tǒng)：包含飛行控制器系統(tǒng)、艇載氣象雷達、浮空氣象感知節(jié)點、氣象感知節(jié)點定點投送裝置、艇載氣象接收器、空基超視距寬帶數(shù)據(jù)鏈、高分辨數(shù)字仿真系統(tǒng)等七大關(guān)鍵設備。
這“協(xié)同作戰(zhàn)”的七大設備，基本都由胡純所在團隊科研人員創(chuàng)新研發(fā)：雙極化雷達可以實現(xiàn)對低空局部區(qū)域連續(xù)高分辨率觀測；多個輕量化探空儀則漂浮在目標區(qū)域內(nèi)不同的地方，可以進行溫度、濕度、風速和氣壓多要素參數(shù)的同時采集；艇載接收器則可以通過專門研制的超視距寬帶數(shù)據(jù)傳輸鏈路來實現(xiàn)氣象探測信息的遠距離實時可靠傳輸……利用飛艇的長續(xù)航和穩(wěn)定性優(yōu)勢，該系統(tǒng)能夠在數(shù)月內(nèi)持續(xù)采集高分辨率數(shù)據(jù)。“2022年的時候，我們的飛艇就已經(jīng)能持續(xù)飛行80天了，狀態(tài)很好，經(jīng)過數(shù)據(jù)預測，初步估計飛120天是完全沒問題的。”
胡純教授在試驗現(xiàn)場
胡純介紹，憑借這些更全面、更豐富的多源直接觀測數(shù)據(jù)，可以有效支持更專業(yè)、更細致的低空氣象研究，可以為無人機物流、空中交通等提供精準的氣象預報——對于影響低空飛行較為嚴重的氣象要素如降水、霧霾、雷暴、垂直風等，通過雷達實現(xiàn)大范圍云水粒子的觀測，提前感知強降水、大霧、能見度低等氣象情況；通過氣象感知節(jié)點布撒實現(xiàn)局部風場的測量，并探究溫濕度對其影響的內(nèi)在聯(lián)系，預知低空氣流的活動軌跡。此二者互補，將助力低空航危天氣短臨預警相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，不僅能夠為低空飛行活動提供數(shù)據(jù)支撐和安全保障，從而實現(xiàn)低空飛行器的“智慧飛行”，還能為低空經(jīng)濟保駕護航——有研究表明，對于極端氣候，預報強度誤差每減少1米/秒，可減少因災經(jīng)濟損失近4億元；預報路徑誤差每減少1千米，可減少因災經(jīng)濟損失近1億元。
科研，從來沒有坦途
瘦削的身材、眼鏡背后專注的目光，是同事們對胡純的第一印象。六年前，他從博士后研究起步，一頭扎進了低空氣象探測技術(shù)的探索中。
輕量化探空儀和高精度傳感器，是胡純傾注了大量心血的設備。如果把飛艇看作一艘上天去執(zhí)行任務的“母艦”，探空儀所攜帶的傳感器就是整個探測系統(tǒng)的基礎(chǔ)——傳感器如果不行，數(shù)據(jù)精度就不高，探測效果就必然不準。
舉個例子，高空氣溫驟降，還會不時面臨雨滴、冰晶乃至冰雹的襲擊，必須給傳感器加溫才能使其正常工作，但是又不能讓這一“加熱”功能影響傳感器的性能，怎么實現(xiàn)這種微妙的平衡？“我們就要用很微小的電阻絲去控制好溫度，還要配合電路，施加合適的電流電壓、合適的時長……過程非常精細?！睆拿舾胁牧?、結(jié)構(gòu)到封裝材質(zhì)、電路設計，再到加工制備，胡純?yōu)榱舜蛟爝@樣的傳感器費盡心思?！扒扒昂蠛蟮巳甑臅r間，基本上天天跟這個東西打交道。”胡純笑著說道，“我們會把傳感器發(fā)上去做測試，如果測試結(jié)果不行，這一套就全都白費了，就得重新優(yōu)化，再做仿真試驗……這一過程非常磨人?！?/p>
低空氣象探測系統(tǒng)示意圖
通過材料、結(jié)構(gòu)和使用策略的創(chuàng)新，胡純團隊成功研制出了能適應極端環(huán)境的高精度傳感器，即便是在臺風或高寒地區(qū)，這種傳感器也能通過新材料和交替加熱測量循環(huán)保持高精度穩(wěn)定工作。他們研制的國內(nèi)最輕的探空儀也大幅減輕了重量，使得飛艇可一次性攜帶多達300個探空儀，有效延長了任務時間和數(shù)據(jù)覆蓋范圍，成為持續(xù)監(jiān)測的革命性工具。
2024年10月，超強臺風“康妮”登陸浙江臺州時，胡純帶領(lǐng)團隊在臺風現(xiàn)場對整套設備進行了實地測試，兩天兩夜沒合眼的堅守最終取得了圓滿成功?！胺浅＞o張。等到實驗結(jié)束，所有的數(shù)據(jù)全都返回來了，我們才松了一口氣。”胡純回憶那天的感受，“兩天沒睡覺，但是你都感覺不到困意?！边@次實驗的成功，驗證了學?？蒲袌F隊技術(shù)的可靠性，也為低空飛行安全提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。
筑起堅實的“盾牌”
“目前，我們在張軍院士帶領(lǐng)下，依托航行系統(tǒng)技術(shù)全國重點實驗室三十余年積累的成果和經(jīng)驗，正在部署航空5G專網(wǎng)，以后地面端設備、可移動設備、飛機上的設備等都能連入我們的5G專網(wǎng)，”胡純教授介紹，“從數(shù)據(jù)監(jiān)管和數(shù)據(jù)存儲角度講，這將會讓航空飛行更加安全?！?/p>
如果說低空氣象探測是為低空飛行插上的“智慧翅膀”，低空安防就是學校為天空筑起的“盾牌”。
低空經(jīng)濟浪潮帶動了無人機的井噴式發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前無人機機型已超千種，通信體制差異巨大，為無人機低空飛行管控帶來巨大挑戰(zhàn)，大量黑飛無人機對社會安全造成嚴重威脅。建立健全無人機探測與反制技術(shù)體系，已成為保障低空經(jīng)濟持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展的重中之重。
視覺、雷達、無線電頻譜偵測是當前無人機反制的主流手段?！巴ㄟ^多臺天線接收同一無人機電磁信號，進行相關(guān)處理后可識別無人機的無線電頻譜特征，并實現(xiàn)對黑飛無人機的反制?！焙兘榻B，目前，團隊已在珠海校區(qū)率先開展了視覺、雷達與無線電三類手段融合反無技術(shù)驗證，構(gòu)建了一定規(guī)模的反無試驗場，在試驗場內(nèi)分布式部署了無線電偵測天線、地基光電艙、相控陣探測雷達，建設了超算與聯(lián)合指控中心，已完成多型非合作無人機的探測與干擾實驗。
為深入貫徹落實國家低空領(lǐng)域安全管理決策部署，學校正在探索統(tǒng)籌推進低空經(jīng)濟發(fā)展與安全防控體系建設。在體系布局方面，以“全域覆蓋、重點突出”為導向，依據(jù)空域風險等級，科學劃分核心管制區(qū)、監(jiān)視緩沖區(qū)和開放報告區(qū)，構(gòu)建“空地協(xié)同”的立體化監(jiān)測網(wǎng)絡。針對不同區(qū)域特性，則差異化部署探測設備，形成層次分明、覆蓋全面的防控格局。同時，結(jié)合地理網(wǎng)格管理理念，細分防控單元，實現(xiàn)精細化監(jiān)測與協(xié)同聯(lián)動，筑牢低空安全防護屏障。
部分儀器實物
胡純教授所在的團隊——復雜環(huán)境科學探測中心，是一批國內(nèi)外高層次人才組成的隊伍，由首席科學家張軍院士領(lǐng)銜，鄭德智教授擔任責任教授，團隊成員包括了1位院士、5位顧問院士、5名國家級領(lǐng)軍人才、14名國家級青年人才、2名青年托舉人才，持續(xù)瞄準深空探測、臨近空間網(wǎng)絡、載人航天等國家重大戰(zhàn)略需求，圍繞極端環(huán)境感知、智能組網(wǎng)通信、群智協(xié)同控制方向開展科學研究，專業(yè)領(lǐng)域跨度深廣，涉及儀器科學與技術(shù)、信息與通信工程、電子科學與技術(shù)、計算機科學與技術(shù)、控制科學與工程等交叉學科。目前，已先后承擔國家自然科學基金委重大科研儀器專項、重大基礎(chǔ)研究項目，教育部集成攻關(guān)大平臺項目，國家重點研發(fā)計劃等90余項，構(gòu)建了包括智能信息處理、復雜光纖探測與通信、無人裝備協(xié)同組網(wǎng)控制在內(nèi)的多個科研平臺。
從實驗室到低空前沿，每一臺設備、每一組數(shù)據(jù)、每一次實驗，都承載著科研人員的夢想與汗水。低空交通是未來發(fā)展的趨勢，但安全是首要前提。在低空交通領(lǐng)域的科研成果，展現(xiàn)了學校在空天領(lǐng)域的深厚實力。懷抱對國家需求的深刻理解和對科研的熱愛，一批批科研工作者們，正以頑強意志和拼搏精神，用科技硬實力護航低空經(jīng)濟。
