系留氣球的環境適應性設計

劉宗強　張博博

（中國航空工業第六○五研究所，湖北荊門　448035）

系留氣球的環境適應性設計

劉宗強張博博

（中國航空工業第六○五研究所，湖北荊門448035）

本論文主要闡述的是系留氣球環境適應性方面的主要設計方法，通過工程經驗和使用需求狀況，對系留氣球在全壽命周期內所遇到的各類環境因素及其影響分析，確定相應的解決方案，并提供了工程設計中的各種設計措施；結合系留氣球特點對環境適應性驗證給出工程試驗方法；結合實際工作給出系留氣球環境適應性設計工作的工程建議。

系留氣球環境適應性設計

1　系留氣球簡介

系留氣球（見下圖1）是一種依靠氦氣產生浮力，由系留纜繩拖拽，進行定點、高空長時間運行的空中平臺，具有浮力大、野外露天工作、任務周期長（超過24小時留空、有時還要求連續留空一個月）、任務范圍廣（機動式系留氣球可廣泛布置在我國大部分地區）、設備工作海拔高（氣球升空高度多超過1000米，有的升空高度還超過3000米）等特點。

2　系留氣球使用環境條件

2.1環境要素

結合GJB150和DO-160系列標準、系留氣球受影響的環境要素和氣球使用環境條件分析，系留氣球使用環境要素主要有：溫度、濕度、太陽輻射、霉菌、鹽霧、降雨、砂塵、振動、沖擊和風環境。

溫度：囊體材料和電子產品對溫度環境比較敏感，低溫環境影響使用，高溫環境影響壽命，我國的幅員遼闊，環境溫度差較大，低溫可達-50℃，高溫可達60℃；

濕度：海邊環境和潮濕環境中的環境濕度可達95%以上，對電子產品工作影響較大；

太陽輻射對以高分子為主材料的氣囊、索具等產品可靠性、強度和壽命都有較大影響；

霉菌：我國東南部屬于霉菌高影響區域，對電子產品和高分子材料產品影響較大；

鹽霧：我國大部分地區高溫高濕，以金屬材料為主體的產品容易受到鹽霧腐蝕而嚴重影響壽命；

降雨：系留氣球電子系統應考慮降雨影響，避免降雨對其造成的電路損壞及高壓電弧損壞等影響；

圖1　系留氣球

砂塵：在西部、北部高原地區應用的系留氣球應充分處理好砂塵對產品的影響；

振動、沖擊：產品本身如依靠油機工作，則需要考慮油機振動對油機附近產品的影響；如依靠地面供電，則僅需要考慮運輸振動的影響；沖擊環境一般僅發生在運輸狀態和搬放狀態中，影響較小；

風環境：風環境對系留氣球產品影響較大，應利用安全性分析和設計方法加以重點分析與研究。

2.2應力條件

系留氣球的應力條件應考慮其具體的或預期的使用環境加以分析，分析過程應包含生產、運輸、使用及維護的所有過程。

3　環境適應性設計

3.1設計原則

環境適應性設計首先應綜合考慮所設計產品可能經受的各種環境要素及其分布與強度，采用有效措施（含防護體系設計、材料優選、工藝等）降低產品使用環境要素的強度、提高產品固有抗環境損傷的能力，滿足環境適應性要求。

逐級明確防護對象和防護等級：按從大到小的順序，即從系統、設備、單元、零部件、模塊、元器件到材料逐級明確防護對象和防護等級。

涂覆有效的防護體系：應通過試驗和/或使用經驗評定防護體系的有效性，包括與基體材料、工藝的相容性、結合力、有效期等。

權衡各種環境要素的不利影響：一種環境因素可能產生多種不利影響；一種不利效應也可能是多種環境要素的協同作用的結果，設計時應予以權衡考慮。

3.2溫度適應性設計

應考慮環境溫度、區域溫升和產品發熱三個方面的影響，綜合考慮選用材料、工藝方案及產品選型。

3.3濕度適應性設計

高濕環境中工作的系留氣球應考慮密閉機箱設計。

優先選擇耐潮的材料及產品。

防潮處理可選用憎水處理、浸漬處理、灌封處理、密封處理、表面涂覆處理、使用防潮劑處理等方式。

為了防止運輸過程中受潮，應采取防潮包裝。

3.4太陽輻射適應性設計

氣囊表面必需經過防輻射處理，防輻射能力應達到GJB150.7A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第7部分：太陽輻射試驗》要求。選用高分子系留纜繩產品，其防輻射設計要求應不低于氣囊。

3.5霉菌環境適應性設計

············對于任何與空氣接觸的電路板與高分子材料等，應考慮霉菌適應性設計。

在不影響設備性能的前提下，電子設備應采用氣密式外殼結構，內部空氣應干燥清潔，相對濕度低于60%；氣密性外殼的技術要求和檢驗應符合國家標準與產品規范的有關規定。

材料選擇應首選防霉材料，高分子材料（如塑料、合成橡膠、膠粘劑、涂料等）中的填料、增塑劑的選擇，應盡量選用防霉的無機填料及其它耐霉助劑；熱固性塑料應完全固化，以提高其防霉性。

防霉包裝可以考慮密封包裝及干燥劑包裝。

3.6鹽霧環境適應性設計

對于鹽霧敏感的小型產品，架構上一般要求采用密封式結構。密封設計優先順序為：（1）模塊單元進行單獨密封；（2）插箱、分機局部密封；（3）機箱或插箱整體密封。進行氣密式設計時，容器應采用永久性熔焊氣密結構，局部采用密封圈密封，密封圈應選用永久變形小的硅橡膠“O”型圈。

對于大容積的構件，應避免氣密式設計，可考慮鍍層、內部密封等方式防腐蝕。

應避免異種金屬直接接觸，以防電偶腐蝕；不可避免時，應采用隔離措施或選用電位接近的、相容性較大的金屬；并采用下列一種或幾種防護措施：（1）選用與兩者都允許接觸的金屬或鍍層進行調整過渡；（2）活動部位涂潤滑油，不活動部位涂漆；（3）用惰性材料絕緣；（4）密封。

3.7降雨、砂塵適應性設計

安裝于球體外的設備，其精密部件應置于防塵罩內，防塵罩應能完全隔絕粉塵。保護罩（整流罩等）內的設備應具有一定抗砂塵能力，保護罩的設計應便于設備的清潔。

安裝于球體外的設備，其防雨能力應滿足降雨量的要求。球上設備的保護罩（整流罩等）應能保護內部設備不受降雨影響。地面設備應安裝防雨罩或安裝在設備艙、控制室內。

外部設備應避免水和砂塵的積聚，盡量消除縫隙結構。

3.8振動、沖擊適應性設計

固有頻率：電子系統的機柜（包括控制臺）、分箱（包括單元）、組件/模塊等各層次結構的固有頻率應按二倍頻的規則設計。當工程實施確有困難時，可最小不低于1.5。機柜（包括控制臺）的固有頻率可設計在30Hz～70Hz之間，并且盡量往30Hz的低端設計。分箱（包括單元）、組件/模塊按二倍頻或1.5倍頻的固有頻率往上設計。

隔振緩沖裝置設計：電子設設備的隔振緩沖裝置應同時具有隔振和緩沖兩種功能。

支承平臺的剛度中心應與電子設備的質量中心重合，以去除耦聯振動的有害影響。

機柜（包括控制臺）應采用背架式隔振緩沖系統，其中背架隔振器是非承載隔振器，其剛度阻尼特性在水平面內，應對稱于原點（平衡位置），并應注意它與底部隔振器的剛度位移量等的匹配。

4　環境試驗驗證

由于系留氣球屬于大型設備，無法進行實驗室試驗，目前系留氣球的環境試驗一般參考GJB150或DO-160系列標準以及產品特有的環境試驗規范實施，以主要設備的環境適應性水平評估整套系統適應性，并在溫度、濕度、太陽輻射等方面結合外場試驗數據進行分析得到產品的最終環境適應性能力。

實驗室環境試驗可以參考《系留氣球環境適應性研究》（航空標準化與質量，2012年第2期）。

5　工程建議

系留氣球環境適應性工作關系到產品的可靠性、安全性和使用壽命，對產品的綜合應用有著極為重要的影響，最好環境適應性工作，不但需要學習了解標準，更需要研究產品特性和敏感要素，并結合內、外場試驗分析，將分析研究結果逐步反映到設計中，才能逐步提升產品環境適應能力，降低使用風險。

［1］GJB150軍用設備環境試驗方法［S］.

［2］孫帆.劉宗強.系留氣球環境適應性研究［J］.航空標準化與質量，201 2.

劉宗強（1982—），男，湖北荊門人，工程師，畢業于哈爾濱工程大學工業設計專業，現在中國航空工業第605研究所可靠性研究室工作，主要從事可靠性、安全性和環境適應性的技術研究；張博博（1988—），男，陜西渭南人，工程師，畢業于西北工業大學飛行器動力專業，現在中國航空工業第605研究所可靠性研究室工作，主要從事可靠性的技術研究。