[科普中国]-系留气球

特点

为使气球有良好的稳定性，有时做成流线型，横放在空中。球内充氢或氦气。气球可携带自记仪器、无线电遥测仪器；或可通过缆绳传送信息的仪器；也可掉挂仪器在几个预定高度进行梯度观测。用聚酯薄膜制作的大型球，可带几十公斤的仪器。观测项目除温、湿、压、风等气象要素外，还用来观测臭氧以及大气污染监测，能在一段时间（几小时至几十小时）内连续测量它们的变化。但在强风条件下操作困难，也不宜用作长时间的连续观测。

系留气球是一种无动力气球飞行器。气球用系缆与地面设施连接，球体内充氦气，依靠浮力悬停在空中。

一个系留气球系统一般由球体、系缆、锚泊设施、测控、供电等主要部分组成。球体为全柔性结构，由多功能柔性复合材料制成，外形一般采用流线型。球体尾部的尾翼多采用十字布局或倒Y形布局。球体内部分成充有氦气的主气室和充有空气的副气囊两部分，气球的浮力由主气室提供，副气囊则用于调节球体的压力，使球体始终保持较好的刚性。

系留气球的工作高度取决于气球体积、载荷重量和系缆重量等因素，一般从几百米至3000米。系留气球的抗风能力与球体的气动特性、布局、净浮力和体积大小有关。小型系留气球的抗风能力一般为5、6级，大型气球可达8级以上。

与其他高低空飞行器相比，系留气球具有滞空时间长（连续滞空的时间是几天至一个月），耐候性强，部署简单灵活，造价和维护费用低廉等特点。

应用作为一种升空平台，系留气球可为球载设备提供较大的对地视界范围，滞空高度越高，覆盖范围越大。系留气球可用于大气和环境监测、缉私等民用领域，在军用领域，一般多用于预警、电子对抗、技术侦察与监视、超长波通信、信息中继等方面。

系留气球安全性系留气球系统是一个比较复杂的系统，包括电源分系统、压力调节分系统、测控分系统、通信分系统、防雷分系统和地面系留分系统等。其安全性可以从人、机、环境、管理等四个方面考虑。人在设计过程中考虑不周，设计中存在某些未知的缺陷；在组装、安装过程中，没有严格按照规范要求执行，使设备安装不到位。机的不安全性状态主要包括设备故障、材料老化和系统中存在的可能发生意外释放的能量或危险物质。环境因素主要指恶劣的自然环境，包括大风、强降雨、冰、雪和雷电等；突然的大风，使系留气球在空中颠簸，失去平衡；雨、雪和冰集于囊体和尾翼上，增加系留气球的重量，降低净升力，恶化系留气球的空气动力性能，使系留气球处于危险的紧急情况下；强大闪电电流引起温度剧增，强电磁力、冲击波造成囊体和系留缆绳等损伤，瞬间电磁场迅速变化，造成系留气球上电子设备损坏。管理主要指安全管理制度和机制不完善，对人员安全教育不够，致使人员不能够严格按照规程办事，违规操作，导致设备损坏，人员受伤害。2

设计要求囊体设计囊体作为系留气球的主要结构，承受着系留气球上的所有载荷，要具有一定的抗风能力，特别是在突风的冲击，要有足够的强度。在各种载荷作用的条件下，具有承受环向应力、剪切应力的能力；有时还要满足承受撕裂力的要求，对悬挂系统来说还要考虑其他的附加应力。囊体的整体和某特定部位的强度和刚度受囊体截面积、内压大小等多种因素的影响，随飞行高度和环境温度以及运动状态的变化而变化。

由于气球囊体材料只能承受拉力的特性，致使囊体材料总体刚度只能由内压维持。当内压一定时，张力与囊体半径成反比，即当囊体较大时，应选择拉伸强度和撕裂强度比较大的材料，当囊体较小时，应选择拉伸强度和撕裂强度比较小的材料。

囊体材料的选择主要考虑轻质、高强度、高气密性、良好的耐候性、高比强度、高抗曲挠、耐揉搓和良好的耐磨性，尤其是主气囊材料要考虑耐臭氧和对各种射线(紫外线)的反射及其他环境因素的影响。应通过对主气囊及其典型部位的安全性分析，选择强度比较高、环境适应性较好的的材料，提高囊体的强度设计，使囊体的破坏失效概率降到最小。2

头锥设计头锥固定在囊体的头部，使系留气球在地面系留时，很好地固定在系留塔上。头锥应该设计成便于系留和脱系的旋转机构，采用高强度钢和铝合金制造，保证有足够的强度裕度，安全系数最小应大于2。为了防止地面系留时头锥从系留锁中意外脱开，应增加其他地面系留辅助设施，使头锥直接与系留塔连接，充分增加系留气球地面系留的安全性。2

系留系统设计系留系统主要包括系留拉索、机械拉索和系留缆绳。系留拉索分布在囊体的两侧，相对于气球纵向平面对称，用于将系留气球的净浮力载荷集中传到系留缆绳。机械拉索也是分布在系留气球两侧，只在地面系留时，连接在地面系留绞盘上。由于系留气球在使用过程中载荷比较复杂，所以系留拉索和机械拉索的安全系数一般大于2。

系留缆绳是系留气球的一个关键部位。系留气球的升空、回收和姿态调整都是通过缆绳来实现的。系留缆绳既要有足够强的力学性能，又要有传输球上设备所需的电信号、光信号等功能，同时还要有防雷击特性。为了增加系留缆绳的安全性，系留缆绳的安全系数应大于3。2

地面系留设施设计地面系留设施的作用是能把系留气球固定在一定位置，保证系留气球能够安全可靠地升空和回收，可分为阵地式和车载式。设计时，既要考虑收放装置能够顺利地收放系留气球，又要考虑旋转平台能够随风自由旋转，同时防止系留塔倾覆。通过有限元分析，保证地面系留设施有足够的安全裕度，提高地面系留设施的安全性。2

防雷系统设计雷电对系留气球的破坏是全方位的，结合系留气球的一般结构及雷电的损害方式，防雷措施可分为球体防护、球载设备防护以及地面设备及人员的保护。对球体的防护措施一般采用静电防护、导体笼防护和悬索导线防护。对球体设备防护一般采用绝缘材料把电子设备与导电物体隔离或者安全接地，使球体上形成的雷击电流顺利传到地面，把能量释放出去。2