系留氣球結冰探測方法

耿德華 蔣鵬程

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

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系留氣球結冰探測方法

耿德華 蔣鵬程

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

摘 要：系留氣球是一種利用內部浮升氣體凈浮力升空的飛行器，隨著其應用越來越廣泛，對結冰探測的要求也越來越高。本文通過對系留氣球產品的簡介、結冰危害、結冰探測需求等方面出發，提出了利用現有飛機用結冰信號器來解決系留氣球結冰探測問題的方法，包括安裝位置、結冰程度判斷等。

關鍵詞：系留氣球；結冰探測；結冰信號器；結冰程度

1. 系留氣球介紹

系留氣球是一種依靠氣囊內的浮升氣體獲得浮力，并用纜繩進行固定的浮空器，可以實現空中定高度長時間地駐留。

國外在軍事領域對系留氣球的應用非常多，典型的有美國的陣地式系留氣球載雷達預警系統（Tethered Aerostat Radar System，TARS）、海軍空中中繼通信系統（Marine Airborne Re-Transmission System，MARTS）、聯合防御對陸攻擊空中組網傳感器系統（Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor System，JLENS）、快速部署浮空器預警系統（Rapid Aerostat Initial Deployment，RAID）、快速空中浮空器平臺系統（Rapidly Elevated Aerostat Platform，REAP）、持續威脅探測系統（Persistent Threat Detection System， PTDS）、持久地面監視系統（Persistent Ground Surveillance System，PGSS）等；俄羅斯的“GePard”車載移動式系留氣球、“PUMA”和“JAGUAR”大型系留氣球、“DAG-2M”傘兵訓練型系留氣球等。

根據公開的資料統計，20世紀80年代后，國外總共約60多種系留氣球產品投入軍事用途，主要任務使命可歸為偵察監視、預警探測、通信中繼和傘兵訓練等用途。偵察監視和預警探測是國外系留氣球主要任務使命，總占有率約為80%。

2. 系留氣球結冰危害

與飛機依靠翼面的氣動特性產生升力不同，系留氣球這一類的浮空器依靠浮升氣體產生的凈浮力升空。因此，結冰對系留氣球的危害形式，與對飛機的危害形式是截然不同的。

飛機結冰的危害，主要是改變飛機的氣動特性而引起操縱失控，系留氣球結冰主要是由于大面積結冰引起的凈浮力下降，和堅硬冰塊對囊體材料的損傷。其余因結冰導致的外部設備故障，系留氣球與飛機類似。

3. 結冰探測技術現狀

當前，國內對浮空器的結冰探測研究極少，主要還是集中在飛機結冰探測上，依靠結冰信號器對結冰狀況進行感知。

結冰信號器根據產品外形可分為外伸式和內埋式兩種，根據采用的關鍵技術，可分為放射線技術、熱交換技術、諧振技術、磁滯伸縮技術、導電環技術、光纖傳感技術、神經元網絡技術等。

目前，飛機的結冰探測技術已經比較成熟，具有一系列已經成熟完善的產品，對新技術的研發也比較活躍。

4. 系留氣球結冰探測要求

飛機結冰信號器的要求是反應靈敏，能夠對極薄的結冰現象進行感知，同時要求預警時間快速，兼具冰型判斷能力。但對于系留氣球而言，由于結冰的危害形式與飛機截然不同，對結冰探測的要求也有明顯的區別。

系留氣球對于結冰探測要求如下：

（a）結冰告警，一旦處于結冰環境應向操作人員提供告警信號；

（b）持續工作能力，結冰傳感器具有加熱融冰功能確保持續工作；

（c）結冰厚度累積功能，可以為操作人員提供結冰的嚴重程度。

5. 結冰信號器在系留氣球上的安裝位置

系留氣球有用結冰信號器一般安裝在頭部且過冷水滴流速最大區域，便于過冷水的收集凍結從而進行結冰告警。

利用CFD軟件對系留氣球不同姿態下過冷水滴撞擊情況進行分析，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

通過上述的過冷水滴撞擊軌跡計算，排除整流罩最下部的安裝位置，可確定兩處結冰信號器安裝位置，如圖5所示。

6. 結冰厚度累計功能的實現

6.1 實現原理

采用飛機用的結冰信號傳感器，均能夠實現持續工作能力，即利用結冰信號器自帶的融冰功能。但對于系留氣球產品而言，由于結冰重量是重點危害形式，需利用結冰信號器實現結冰厚度累計判斷功能。

在當前結冰信號器無法探測大厚度冰層的限制條件下，采用軟件次數累計計算進行結冰厚度預估。即結冰信號器報警后，自動融冰，軟件記錄一次報警，重復報警后，記錄報警次數、間隔時間、周邊環境，利用統計次數判斷結冰程度。

6.2 結冰報警驗證試驗

為驗證結冰報警次數與結冰程度之間的對應關系，在氣候實驗室開展結冰驗證實驗。

在氣候實驗室中，調節風速為9m/s～10m/s，水含量為0.6g/s～0.8g/s，粒子直徑20μm。試驗件包括結冰信號器、系留氣球尾翼縮比模型、球上索具及囊體材料平板。

試驗過程中照片如圖6所示。

試驗過程中，采用的結冰信號器報警閾值為結冰厚度0.5mm，融冰時間10s。

6.3 試驗結論

經過持續時間不同、風速不同、含水量不同的數次試驗后，結果表明：

（a）系留氣球不同部件在相同的持續時間、相同的結冰環境下結冰厚度是不同的。

（b）所有部件在相同結冰環境下的結冰厚度，與持續時間有關，但不是線性的。

（c）在結冰環境不改變條件下，部件的結冰厚度，可以通過結冰信號器的報警次數進行時間對應，進而通過時間與結冰厚度之間的曲線判斷實際結冰厚度。

結論

對于系留氣球產品而言，當前階段可采用飛機用的結冰信號器進行結冰探測，但其位置需根據實際球體的外形和尺寸進行確定，一般安裝在球體頭部上方或下方的位置。

系留氣球對于結冰探測要求與飛機區別較大，對于關鍵的結冰程度判斷，是可以通過結冰信號器報警次數與時間—結冰厚度曲線的對應關系實現的。但在實際應用中，由于結冰環境時刻在發生改變，需要更加復雜的公式進行實際模擬。

隨著系留氣球類浮空器產品應用的推廣，對該類產品結冰探測的需求會越來越多，其產品的前景及應用技術的需求會越來越廣闊。

參考文獻

［1］李航航，周敏.飛機結冰探測技術及防除冰系統工程應用［J］.航空工程進展，2010.（1）：112-115.

中圖分類號：V351

文獻標識碼：A