系留氣球系留系統的設計

武警工程大學信息工程系 何 強

引言

作為一種新興的空中通信平臺，系留氣球自從其誕生起，就受到人們的廣泛關注。它具有滯空時間長，覆蓋范圍廣，能源消耗低，操作維護簡單，便于拆裝回收，機動性能強等特點。在系留氣球升空后，系留氣球平臺僅僅依靠一根系留纜繩與地面設備進行連接，因此系留氣球系留系統的優劣直接影響到系留氣球是否能安全穩定可靠的系泊在預定高空執行通信任務，也是影響氣球回收的關鍵因素。

系留系統主要由空中系留系統與地面錨泊系統兩部分組成，本文將分別對兩部分進行設計與說明。

1 系留系統的功能與設計原則

系留氣球系留系統的主要功能是將系留氣球升往高空進行穩定的工作，以及不工作時的回收，通過系留纜繩對系留氣球進行空中定點系泊，保證系留氣球在空中的穩定性；另外，還通過系留纜繩使系留氣球與地面設備進行連接，并且作為地面系統維護檢查保養系留氣球時的工作平臺。

由于系留氣球的特殊性。在設計系留氣球的系留系統時，除了要遵循設計常規浮空平臺系留系統的基本原則以外，還必須充分考慮以下幾點：

（1）三點系留

系留氣球通過囊體的頭部系留點和中部左右的系留點對氣球進行定點系留。地面錨泊系統應根據需要設置三臺絞車對氣球進行系留。氣球升空回收過程中，由三臺絞車同時控制系留氣球，對其進行精確的定位；氣球在系留時，通過三臺絞車以及其他輔助系留裝置對其進行固定。三點系留的設計可以有效克服常規浮空器工作時需要大量地勤人員的問題，降低因系留氣球在空中長時間工作時，需要保留保障的地勤人員的費用。對于小型的系留氣球,兩三名地勤人員就可以保證氣球的升空與回收。

（2）順風向布置

系留系統可以圍繞轉軸進行360度的旋轉，無論如何旋轉，氣球如何運動，都要保證系留纜繩和旋轉平臺的方向保持一致，稱為順風向布置；系留氣球在系留狀態時，同樣保證順風系留。這樣可有效降低作用在球體上的載荷，同時也降低作用在整個系統上的載荷，從而提高系統的可靠性與安全性。另外，系留氣球平臺在空中工作時，順風向布置也可有效減少系留纜繩的磨損。

（3）快速布置

考慮到系留氣球系統用于應急通信的特殊性，其設計必須具有快速布置的能力。對于中小型系留氣球的系留系統而言，采用車載的方法可保證其快速機動，根據任務的需要可通過道路運輸將其迅速布置到預定的位置。

2 系留系統的基本結構與設計

系留氣球的系留系統主要包括空中系留系統和地面錨泊系統，空中系留系統主要由系留纜繩、旋轉鉸鏈、系留拉索、系留拉手等組成，地面錨泊系統主要由一套絞車系統、系留塔、旋轉平臺組成。

2.1 空中系留系統

2.1.1 系留纜繩

系留氣球通過系留纜繩與地面系統進行連接，系留纜繩主要用于系留氣球的空中系留，是氣球升空與回收不可缺少的器件，其自身具有承受系留氣球的載荷、傳輸電力信號、預防雷擊等功能；其設計材料必須具有單位重量輕、柔軟性好、可反復的收放和彎曲等特點。系留纜繩作為保證系留氣球系統在高空中安全穩定可靠工作的牽引線,決定了氣球的升空高度以及空中的穩定性，被視作系留氣球平臺的“生命線”。系留纜繩從里到外分別是導線、光纖、Kevl ar纖維、金屬編織套、橡膠保護套，并根據其作用選擇合適的材料。

2.1.2 旋轉鉸鏈

旋轉鉸鏈的主要作用是連接系留纜繩和系留拉索。系留氣球在空中工作時，旋轉鉸鏈不僅要承受系留氣球的拉力載荷，又要傳輸光電信號，同時還必須有泄雷等功能。

2.1.3 拉索和拉索接頭

拉索是由不銹鋼絲繩、棉繩和Kevl er 強力繩等制作而成的，其設計必須滿足在一定的強度。使用過程中，應根據所需要拉索的載荷，選用不同的拉索。拉索要有拉伸強度高、自身重量輕、延伸率低、抗老化腐蝕等特點。各個拉索之間由拉索接頭連接到一起，拉索接頭是單耳和雙耳通過銷釘連接到一起，使用時必須校驗并且滿足一定的強度。

2.1.4 系留抓手

系留抓手主要分布在系留氣球的兩側，與球體相連，主要作用是將從拉索處傳遞過來的載荷平均分配到球體上。系留抓手的受力方向應基本與球體相切。

2.2 地面錨泊系統

2.2.1 絞車系統

絞車系統的主要作用是將系留氣球升至預定的高度，并負責回收系留氣球，在氣球飛行過程中負責調整氣球的高度，保證氣球的穩定。其主要由動力裝置、儲纜筒、排纜機構、導向裝置、絞盤等組成。

（1）動力裝置

絞車的動力裝置通常根據絞車系統的使用環境條來確定其類型，一般情況下采用電動或者液壓馬達。

（2）儲纜筒

儲纜筒主要用于儲放纜繩以及系留氣球升空與回收時排放系留纜繩。

（3）排纜機構

排纜機構即系留纜繩的排列機構，主要用于將系留纜繩均勻、整齊地排列在儲纜筒上。常見的排纜機構主要是雙螺旋或者雙導桿結構。排纜機構通過儲纜筒驅動，其排纜速度與儲纜筒的速度保持一定的比例。

（4）導向裝置

導向裝置主要用于系留氣球和絞車系統之間纜繩的導向，通常采用滑輪結構。

（5）絞盤

絞盤位于導向裝置與絞車系統之間，用于釋放系留纜繩的張力，一般采用單筒、雙筒或三筒結構。

2.2.2 系留塔

系留塔主要用于系留氣球的系留，系留氣球升空工作時，系留塔負責系留系統的固定。并承受系留氣球系留時的載荷。在系留塔上有工作梯，上面有工作平臺和護欄，便于地勤人員到達系留塔頂，對地面設備進行操作維護等工作。

2.2.3 旋轉平臺

旋轉平臺主要作用是保證系留氣球系留系統的順風向布置，整個系留系統以旋轉平臺系統為基礎。旋轉平臺上布置有系留塔、絞車系統、操作控制系統等。

3 系留系統的使用程序

系留氣球升空前應進行檢查，確保系留系統處于正常狀態，回收后也應進行檢查，便于對系留氣球進行維護和保養。回收過程實質上是升空的逆過程，這里給出系留氣球系統升空時的操作程序，假設系留系統已經過飛行前的檢查 ，并且一切正常。

（1）通過車載方式調整整個系留系統至合適的升空地點和方向，做好升空準備。

（2）操作地面絞車系統，適當降低氣球的高度，確保機械索具處于松弛狀態。

（3）解開機械索具。

（4）檢查系留機械索具、系留纜繩等，確保無打結或纏繞。

（5）操作地面絞車系統，調整氣球的空中姿態 ，使其處于升空前的準備狀態。

（6）釋放機械鎖具。

（7）操作地面絞車系統，使氣球開始緩緩升空 ，并保持氣球穩定 ，一般設置為迎角0度（誤差不超過3度），滾轉0度（誤差不超過3度），直至系留纜繩承受氣球的全部拉力。

（8）從絞車系統上解下機械索具。

（9）操作系留纜繩的絞盤，將氣球升至預定的高度。

（10）進入空中系留程序。

系留氣球平臺在空中定點系留開始工作時，系留系統的主要作用是調整氣球的高度。

4 結束語

系留氣球的系留系統是系留氣球平臺的重要組成部分，對其安全性和可靠性的要求非常高，其設計必須充分考慮系留氣球的總體設計以及相關使用模式技術的研究，提高系統的布置速度和使用效率。本文設計的系留系統結構簡單，使用方便，操作維護簡便，能可靠地傳輸光電信號，保證系留氣球安全穩定可靠的系泊在預定的高空執行任務，是一種非常經濟實用的系留系統，值得推廣使用。

[1]李賓,王太峰,張艷.浮空平臺應急通信系統的應用[J].網絡與應用,2010.06.

[2]張紅衛,馮大毛.系留氣球系留系統設計與使用[J].航電與系統,2011.06.

[3]曹潔.國外系留氣球的發展與應用[A].科技資訊,2010(25).

[4]楊偉.一種基于浮空平臺的通信系統應用[J].通信與信息技術,2010(4).

[5]PV&Regenerative.Fuel Cell High Altitude Airship Feasibility Study.AIAA 2003-6663.

[6]Micheal.S.Smith,Edward Lee Rainwater.Applications of Scientific Ballooning Technology to High Altitude Airships.AIAA 2003-6711.

[7]張志富,肖益君,王平安.系留氣球空中系留系統研究[A].西安航空技術高等專科學校學報,2011.05.

[8]章廣梅.應急通信中的升空傳輸技術研究[D].廣東:華南理工大學,2010.10.