系留气球球体结构系统布置方法研究

系留气球球体结构系统布置方法研究

赵培丛

中国电子科技集团公司第三十八研究所 ,安徽省合肥市 230031

摘 要：本文对系留气球球体的相关结构系统原理进行分析与研究，将其结构系统各个设备的功能进行探讨，同时指出在结构系统各个设备运行期间需注意的相关细节问题，最终指出球体结构系统的布置方式与方法，以供相关人员参考。

关键词：系留气球；球体结构；布置方法

前 言：

系留气球是一种根据气囊内部所具有的浮升气体来获得上升和飞行的浮力，同时使用缆绳系统栓主地面所涉及的无动力浮空器，为系留气球的飞行提供一定的动力。另外根据气球结构所具有的气动升力和剩余浮力，其能够在空中特定的范围内实现更高高度和更长时间的飞行与驻留。因此为全面提升系留气球的功能性与实用性，需要对本体结构系统相关布置方法进行详细分析，进而为其功能性发挥提供充足条件。

1. 系留气球的相关简介

系留气球是基于地面绞车的作用，在绞车上利用缆绳来及控制大气中漂浮的气球，当升到高度为2km以下时，主要用于大气边界层的探测。另外系留气球在实际工作期间，主要依靠气囊内部所具备的浮升气体来获得浮力，然后利用缆绳作用将浮空器固定在某一高度和区域，实现固定高度与固定范围的长时间飞行与驻留^[1]。在实际工作中，为了保障气球稳定性提升，在必要时可以做成流线型，在空中横放。球体内部充足氢气或者氮气，并且本身可以携带多种仪器，如自记仪器、无线电遥测仪器等，并且也可结合相关的掉挂仪器实施多个预定高度的观测工作。目前所使用的系留气球有几种大型的气球形式，该类气球多是以聚酯薄膜为主要材料制作，除本身可携带一些大型仪器设备之外，还能够大范围观测大气污染情况，同时能够连续几十个小时观测大气污染的变化情况，但是其使用环境如果存在强风，则会影响到气球实际工作能力。

在系留气球的使用中，作为一种升空平台形式，能够为球载设备提供较大的对地视野范围，滞空高度越高，所监测范围越大。目前的系留气球一般多用于大气与环境监测方面等民用领域，而军用领域属于特殊领域，其多被军方用于电子对抗、超长波监测与通信等方面，为我国国防安全提供重要的数据支持。

2. 系留气球结构系统组成与功能分析

系留气球本身的系统较为复杂，其中包含通信、防雷、地面、电源、测控以及压力调节等系统，而在总体系统建设中，其主要的功能在于承载和传递各种在和。而整个结构包含气囊、副气囊、尾翼、整流罩、头锥等部分。其中对于整个系留气球工作功能而言，气囊是产生浮力的重要部件，内部存在一定压力的轻气体，如氢气或者氮气等。而副气囊则位于气囊内部，内部充满空气，主要作用在于能够及时调整气囊内外压力差，保证气囊稳定性^[2]。头锥位于气囊头部，为气球在地面系留时保持固定的一种装置。整流罩一般在气囊的后下方设置，主要为了保证良好的气球气动外形，避免一些外界杂物进入到气球中，如灰尘或者雨水等。尾翼一般在气囊的尾部设置，以此来保障气球在各种气象条件下都能够保障整体稳定性，为实际应用提供更加准确和稳定的数据。

在系留气球使用中，最为重要的是保证整个气球使用安全性。而安全性可以从人、机、环境和管理四个方面实施。

1. 人。人员在气球设计期间缺少全面考虑，在设计结构过程中忽视某些细节，导致气球稳定性不足；同时在机械结构设计与安装期间，没有按照相关规范实施，或者设备安装不符合规定与标准等，都会造成系留气球的稳定性下降。

2. 机。此部分所产生的不安全因素主要在于设备故障、材料老化或者系统中含有一些意外释放的能量以及一些危险物质，造成气球系统不稳定，甚至会产生爆炸现象。

3. 环境。环境问题主要在于一些自然或者大气环境，如强降雨、冰雪雷电等，或者突然产生的大风，会造成气球在滞空阶段发生颠簸，失去平衡。另外一些冰雹或者雨雪会集中在气球的尾翼或者囊体上，这样会增大系留气球的重量，降低气球本身的净升力，减少气球空气动力性能，造成气球失去本身能力而产生危险^[3]。其中最为危险的影响因素为雷电现象，强雷电现象会引起气球局部温度急剧升高问题，造成囊体或者缆绳的损害，或者引起磁场变化，使气球中的电子设备发生损坏。

4. 管理。管理中所产生的问题主要在于管理制度和机制不够完善，相关工作人员没有得到严格的安全知识教育，导致很多人员在实际工作中难以按照相关标准与规程进行工作，使设备损坏，造成人员伤亡。

3. 系留气球系统各个部分功能与布置方法介绍

基于上述对系留气球结构与其安全性的分析，本文提出几点结构功能的布置方法，具体如下。

3.1机械索具的布置与设置

系留气球的机械索具包含头部和中部机械索具两种，主要功能在于能够保障气球在地面锚泊和近地面升空的稳定性与功能性。在布置机械索具期间，需要保证在系留气球地面锚泊时，其头锥位置的力矩要小，以此来保障气球不受到大力矩的影响造成安全问题。

3.2系留索具

在系留气球运行期间，位于气囊两侧位置装有系留索具，保障气球在空中系留时期的稳定性。在实际工作中，系留索具会将系留缆绳所传递的集中载荷传递到气囊中，将气球的初始姿态角进行条件，然后在索具的下端会汇集系留铰链点，根据其气囊两侧所均匀分布的系留铰链作用为气球系留稳定性创造条件。但是在索具布置与使用期间，其没有一个具体的计算方法，一般都是结合过去实验中所实施的经验来判定。

在布置系留索具期间，需要保证每一个索具的受力十分均匀，防止出现某一个索具受力过大的情况；同时索具应当与气囊和副气囊保持一定距离，防止某一处应力过于集中，破坏气球稳定性。最后在索具布置期间，需要保证其与其他索具不存在任何干涉情况，避免其他索具破坏系留索具平衡^[4]。

3.3辅助索具

辅助索具包含前部、后部辅助索具和尾部牵引绳等部件，主要用于气球在地面牵引和系留的辅助工作。同时在系留气球进行地面锚泊期间，可以提升锚泊车的随动性，进而减轻气球中部机械索具的载荷，提升整体系统安全性。

在辅助索具布置期间需要注意的是，任何两条辅助索具不能交互，避免之间存在相互摩擦问题。同时辅助索具需要与整流罩保持一定距离，避免与整流罩发生反复摩擦现象，保证气球整体安全性。

3.4观察窗

观察窗的主要作用在于能够更加便于工作人员观察气囊内部情况，如气囊内部的破损情况或者副气囊的饱和情况等，在气囊的合适位置设置观察窗，有利于气囊安全性全面提升。在观察窗布置期间需要注意为了保障其能够有着观察内部的功能效果，同时便于工作人员观察和适用，需要将其布置在气囊底部，选择合适的位置，防止安装过高提升工作人员观察危险性问题出现。

3.5排水口和排水装置设置

在系留气球工作期间会产生大量的冷凝水，因此为了排除副气囊的冷凝水，需要在副气囊的底部设置排水口，同时为了将整流罩内部的冷凝水排除，需要在整流罩的底部位置安装排水装置，以此来保障气球能够稳定运行。

结 语：

综上所述，本文结合系留气球结构与安全性相关分析，提出其结构内部各个装置的布置措施，以此来保障系留气球整体稳定性，为民事、军事的安全使用奠定基础。

参考文献：

[1]申阿强,张冰蔚,戚永康,齐超.系留气球系统牵引绞盘结构设计及其力学分析[J].机床与液压,2020,48(13):81-84.

[2]梁小玲,卢芳春.系留气球球体结构系统布置方法研究[J].中外企业家,2019(17):146.

[3]张志富,李琦.系留气球多点式系留拉索设计技术研究[J].科技创新与应用,2019(11):84-86.

[4]张志富.系留气球雷达系统空中结构总体设计[J].西安航空学院学报,2019,37(01):37-41.