[科普中國]-系留氣球

特點(diǎn)

為使氣球有良好的穩(wěn)定性，有時(shí)做成流線型，橫放在空中。球內(nèi)充氫或氦氣。氣球可攜帶自記儀器、無線電遙測儀器；或可通過纜繩傳送信息的儀器；也可掉掛儀器在幾個(gè)預(yù)定高度進(jìn)行梯度觀測。用聚酯薄膜制作的大型球，可帶幾十公斤的儀器。觀測項(xiàng)目除溫、濕、壓、風(fēng)等氣象要素外，還用來觀測臭氧以及大氣污染監(jiān)測，能在一段時(shí)間（幾小時(shí)至幾十小時(shí)）內(nèi)連續(xù)測量它們的變化。但在強(qiáng)風(fēng)條件下操作困難，也不宜用作長時(shí)間的連續(xù)觀測。

系留氣球是一種無動(dòng)力氣球飛行器。氣球用系纜與地面設(shè)施連接，球體內(nèi)充氦氣，依靠浮力懸停在空中。

一個(gè)系留氣球系統(tǒng)一般由球體、系纜、錨泊設(shè)施、測控、供電等主要部分組成。球體為全柔性結(jié)構(gòu)，由多功能柔性復(fù)合材料制成，外形一般采用流線型。球體尾部的尾翼多采用十字布局或倒Y形布局。球體內(nèi)部分成充有氦氣的主氣室和充有空氣的副氣囊兩部分，氣球的浮力由主氣室提供，副氣囊則用于調(diào)節(jié)球體的壓力，使球體始終保持較好的剛性。

系留氣球的工作高度取決于氣球體積、載荷重量和系纜重量等因素，一般從幾百米至3000米。系留氣球的抗風(fēng)能力與球體的氣動(dòng)特性、布局、凈浮力和體積大小有關(guān)。小型系留氣球的抗風(fēng)能力一般為5、6級，大型氣球可達(dá)8級以上。

與其他高低空飛行器相比，系留氣球具有滯空時(shí)間長（連續(xù)滯空的時(shí)間是幾天至一個(gè)月），耐候性強(qiáng)，部署簡單靈活，造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低廉等特點(diǎn)。

應(yīng)用作為一種升空平臺(tái)，系留氣球可為球載設(shè)備提供較大的對地視界范圍，滯空高度越高，覆蓋范圍越大。系留氣球可用于大氣和環(huán)境監(jiān)測、緝私等民用領(lǐng)域，在軍用領(lǐng)域，一般多用于預(yù)警、電子對抗、技術(shù)偵察與監(jiān)視、超長波通信、信息中繼等方面。

系留氣球安全性系留氣球系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，包括電源分系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、防雷分系統(tǒng)和地面系留分系統(tǒng)等。其安全性可以從人、機(jī)、環(huán)境、管理等四個(gè)方面考慮。人在設(shè)計(jì)過程中考慮不周，設(shè)計(jì)中存在某些未知的缺陷；在組裝、安裝過程中，沒有嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，使設(shè)備安裝不到位。機(jī)的不安全性狀態(tài)主要包括設(shè)備故障、材料老化和系統(tǒng)中存在的可能發(fā)生意外釋放的能量或危險(xiǎn)物質(zhì)。環(huán)境因素主要指惡劣的自然環(huán)境，包括大風(fēng)、強(qiáng)降雨、冰、雪和雷電等；突然的大風(fēng)，使系留氣球在空中顛簸，失去平衡；雨、雪和冰集于囊體和尾翼上，增加系留氣球的重量，降低凈升力，惡化系留氣球的空氣動(dòng)力性能，使系留氣球處于危險(xiǎn)的緊急情況下；強(qiáng)大閃電電流引起溫度劇增，強(qiáng)電磁力、沖擊波造成囊體和系留纜繩等損傷，瞬間電磁場迅速變化，造成系留氣球上電子設(shè)備損壞。管理主要指安全管理制度和機(jī)制不完善，對人員安全教育不夠，致使人員不能夠嚴(yán)格按照規(guī)程辦事，違規(guī)操作，導(dǎo)致設(shè)備損壞，人員受傷害。2

設(shè)計(jì)要求囊體設(shè)計(jì)囊體作為系留氣球的主要結(jié)構(gòu)，承受著系留氣球上的所有載荷，要具有一定的抗風(fēng)能力，特別是在突風(fēng)的沖擊，要有足夠的強(qiáng)度。在各種載荷作用的條件下，具有承受環(huán)向應(yīng)力、剪切應(yīng)力的能力；有時(shí)還要滿足承受撕裂力的要求，對懸掛系統(tǒng)來說還要考慮其他的附加應(yīng)力。囊體的整體和某特定部位的強(qiáng)度和剛度受囊體截面積、內(nèi)壓大小等多種因素的影響，隨飛行高度和環(huán)境溫度以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而變化。

由于氣球囊體材料只能承受拉力的特性，致使囊體材料總體剛度只能由內(nèi)壓維持。當(dāng)內(nèi)壓一定時(shí)，張力與囊體半徑成反比，即當(dāng)囊體較大時(shí)，應(yīng)選擇拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度比較大的材料，當(dāng)囊體較小時(shí)，應(yīng)選擇拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度比較小的材料。

囊體材料的選擇主要考慮輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高氣密性、良好的耐候性、高比強(qiáng)度、高抗曲撓、耐揉搓和良好的耐磨性，尤其是主氣囊材料要考慮耐臭氧和對各種射線(紫外線)的反射及其他環(huán)境因素的影響。應(yīng)通過對主氣囊及其典型部位的安全性分析，選擇強(qiáng)度比較高、環(huán)境適應(yīng)性較好的的材料，提高囊體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，使囊體的破壞失效概率降到最小。2

頭錐設(shè)計(jì)頭錐固定在囊體的頭部，使系留氣球在地面系留時(shí)，很好地固定在系留塔上。頭錐應(yīng)該設(shè)計(jì)成便于系留和脫系的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋼和鋁合金制造，保證有足夠的強(qiáng)度裕度，安全系數(shù)最小應(yīng)大于2。為了防止地面系留時(shí)頭錐從系留鎖中意外脫開，應(yīng)增加其他地面系留輔助設(shè)施，使頭錐直接與系留塔連接，充分增加系留氣球地面系留的安全性。2

系留系統(tǒng)設(shè)計(jì)系留系統(tǒng)主要包括系留拉索、機(jī)械拉索和系留纜繩。系留拉索分布在囊體的兩側(cè)，相對于氣球縱向平面對稱，用于將系留氣球的凈浮力載荷集中傳到系留纜繩。機(jī)械拉索也是分布在系留氣球兩側(cè)，只在地面系留時(shí)，連接在地面系留絞盤上。由于系留氣球在使用過程中載荷比較復(fù)雜，所以系留拉索和機(jī)械拉索的安全系數(shù)一般大于2。

系留纜繩是系留氣球的一個(gè)關(guān)鍵部位。系留氣球的升空、回收和姿態(tài)調(diào)整都是通過纜繩來實(shí)現(xiàn)的。系留纜繩既要有足夠強(qiáng)的力學(xué)性能，又要有傳輸球上設(shè)備所需的電信號、光信號等功能，同時(shí)還要有防雷擊特性。為了增加系留纜繩的安全性，系留纜繩的安全系數(shù)應(yīng)大于3。2

地面系留設(shè)施設(shè)計(jì)地面系留設(shè)施的作用是能把系留氣球固定在一定位置，保證系留氣球能夠安全可靠地升空和回收，可分為陣地式和車載式。設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮收放裝置能夠順利地收放系留氣球，又要考慮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠隨風(fēng)自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)防止系留塔傾覆。通過有限元分析，保證地面系留設(shè)施有足夠的安全裕度，提高地面系留設(shè)施的安全性。2

防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)雷電對系留氣球的破壞是全方位的，結(jié)合系留氣球的一般結(jié)構(gòu)及雷電的損害方式，防雷措施可分為球體防護(hù)、球載設(shè)備防護(hù)以及地面設(shè)備及人員的保護(hù)。對球體的防護(hù)措施一般采用靜電防護(hù)、導(dǎo)體籠防護(hù)和懸索導(dǎo)線防護(hù)。對球體設(shè)備防護(hù)一般采用絕緣材料把電子設(shè)備與導(dǎo)電物體隔離或者安全接地，使球體上形成的雷擊電流順利傳到地面，把能量釋放出去。2