系留气球系留系统的设计

武警工程大学信息工程系 何 强

引言

作为一种新兴的空中通信平台，系留气球自从其诞生起，就受到人们的广泛关注。它具有滞空时间长，覆盖范围广，能源消耗低，操作维护简单，便于拆装回收，机动性能强等特点。在系留气球升空后，系留气球平台仅仅依靠一根系留缆绳与地面设备进行连接，因此系留气球系留系统的优劣直接影响到系留气球是否能安全稳定可靠的系泊在预定高空执行通信任务，也是影响气球回收的关键因素。

系留系统主要由空中系留系统与地面锚泊系统两部分组成，本文将分别对两部分进行设计与说明。

1 系留系统的功能与设计原则

系留气球系留系统的主要功能是将系留气球升往高空进行稳定的工作，以及不工作时的回收，通过系留缆绳对系留气球进行空中定点系泊，保证系留气球在空中的稳定性；另外，还通过系留缆绳使系留气球与地面设备进行连接，并且作为地面系统维护检查保养系留气球时的工作平台。

由于系留气球的特殊性。在设计系留气球的系留系统时，除了要遵循设计常规浮空平台系留系统的基本原则以外，还必须充分考虑以下几点：

（1）三点系留

系留气球通过囊体的头部系留点和中部左右的系留点对气球进行定点系留。地面锚泊系统应根据需要设置三台绞车对气球进行系留。气球升空回收过程中，由三台绞车同时控制系留气球，对其进行精确的定位；气球在系留时，通过三台绞车以及其他辅助系留装置对其进行固定。三点系留的设计可以有效克服常规浮空器工作时需要大量地勤人员的问题，降低因系留气球在空中长时间工作时，需要保留保障的地勤人员的费用。对于小型的系留气球,两三名地勤人员就可以保证气球的升空与回收。

（2）顺风向布置

系留系统可以围绕转轴进行360度的旋转，无论如何旋转，气球如何运动，都要保证系留缆绳和旋转平台的方向保持一致，称为顺风向布置；系留气球在系留状态时，同样保证顺风系留。这样可有效降低作用在球体上的载荷，同时也降低作用在整个系统上的载荷，从而提高系统的可靠性与安全性。另外，系留气球平台在空中工作时，顺风向布置也可有效减少系留缆绳的磨损。

（3）快速布置

考虑到系留气球系统用于应急通信的特殊性，其设计必须具有快速布置的能力。对于中小型系留气球的系留系统而言，采用车载的方法可保证其快速机动，根据任务的需要可通过道路运输将其迅速布置到预定的位置。

2 系留系统的基本结构与设计

系留气球的系留系统主要包括空中系留系统和地面锚泊系统，空中系留系统主要由系留缆绳、旋转铰链、系留拉索、系留拉手等组成，地面锚泊系统主要由一套绞车系统、系留塔、旋转平台组成。

2.1 空中系留系统

2.1.1 系留缆绳

系留气球通过系留缆绳与地面系统进行连接，系留缆绳主要用于系留气球的空中系留，是气球升空与回收不可缺少的器件，其自身具有承受系留气球的载荷、传输电力信号、预防雷击等功能；其设计材料必须具有单位重量轻、柔软性好、可反复的收放和弯曲等特点。系留缆绳作为保证系留气球系统在高空中安全稳定可靠工作的牵引线,决定了气球的升空高度以及空中的稳定性，被视作系留气球平台的“生命线”。系留缆绳从里到外分别是导线、光纤、Kevl ar纤维、金属编织套、橡胶保护套，并根据其作用选择合适的材料。

2.1.2 旋转铰链

旋转铰链的主要作用是连接系留缆绳和系留拉索。系留气球在空中工作时，旋转铰链不仅要承受系留气球的拉力载荷，又要传输光电信号，同时还必须有泄雷等功能。

2.1.3 拉索和拉索接头

拉索是由不锈钢丝绳、棉绳和Kevl er 强力绳等制作而成的，其设计必须满足在一定的强度。使用过程中，应根据所需要拉索的载荷，选用不同的拉索。拉索要有拉伸强度高、自身重量轻、延伸率低、抗老化腐蚀等特点。各个拉索之间由拉索接头连接到一起，拉索接头是单耳和双耳通过销钉连接到一起，使用时必须校验并且满足一定的强度。

2.1.4 系留抓手

系留抓手主要分布在系留气球的两侧，与球体相连，主要作用是将从拉索处传递过来的载荷平均分配到球体上。系留抓手的受力方向应基本与球体相切。

2.2 地面锚泊系统

2.2.1 绞车系统

绞车系统的主要作用是将系留气球升至预定的高度，并负责回收系留气球，在气球飞行过程中负责调整气球的高度，保证气球的稳定。其主要由动力装置、储缆筒、排缆机构、导向装置、绞盘等组成。

（1）动力装置

绞车的动力装置通常根据绞车系统的使用环境条来确定其类型，一般情况下采用电动或者液压马达。

（2）储缆筒

储缆筒主要用于储放缆绳以及系留气球升空与回收时排放系留缆绳。

（3）排缆机构

排缆机构即系留缆绳的排列机构，主要用于将系留缆绳均匀、整齐地排列在储缆筒上。常见的排缆机构主要是双螺旋或者双导杆结构。排缆机构通过储缆筒驱动，其排缆速度与储缆筒的速度保持一定的比例。

（4）导向装置

导向装置主要用于系留气球和绞车系统之间缆绳的导向，通常采用滑轮结构。

（5）绞盘

绞盘位于导向装置与绞车系统之间，用于释放系留缆绳的张力，一般采用单筒、双筒或三筒结构。

2.2.2 系留塔

系留塔主要用于系留气球的系留，系留气球升空工作时，系留塔负责系留系统的固定。并承受系留气球系留时的载荷。在系留塔上有工作梯，上面有工作平台和护栏，便于地勤人员到达系留塔顶，对地面设备进行操作维护等工作。

2.2.3 旋转平台

旋转平台主要作用是保证系留气球系留系统的顺风向布置，整个系留系统以旋转平台系统为基础。旋转平台上布置有系留塔、绞车系统、操作控制系统等。

3 系留系统的使用程序

系留气球升空前应进行检查，确保系留系统处于正常状态，回收后也应进行检查，便于对系留气球进行维护和保养。回收过程实质上是升空的逆过程，这里给出系留气球系统升空时的操作程序，假设系留系统已经过飞行前的检查 ，并且一切正常。

（1）通过车载方式调整整个系留系统至合适的升空地点和方向，做好升空准备。

（2）操作地面绞车系统，适当降低气球的高度，确保机械索具处于松弛状态。

（3）解开机械索具。

（4）检查系留机械索具、系留缆绳等，确保无打结或缠绕。

（5）操作地面绞车系统，调整气球的空中姿态 ，使其处于升空前的准备状态。

（6）释放机械锁具。

（7）操作地面绞车系统，使气球开始缓缓升空 ，并保持气球稳定 ，一般设置为迎角0度（误差不超过3度），滚转0度（误差不超过3度），直至系留缆绳承受气球的全部拉力。

（8）从绞车系统上解下机械索具。

（9）操作系留缆绳的绞盘，将气球升至预定的高度。

（10）进入空中系留程序。

系留气球平台在空中定点系留开始工作时，系留系统的主要作用是调整气球的高度。

4 结束语

系留气球的系留系统是系留气球平台的重要组成部分，对其安全性和可靠性的要求非常高，其设计必须充分考虑系留气球的总体设计以及相关使用模式技术的研究，提高系统的布置速度和使用效率。本文设计的系留系统结构简单，使用方便，操作维护简便，能可靠地传输光电信号，保证系留气球安全稳定可靠的系泊在预定的高空执行任务，是一种非常经济实用的系留系统，值得推广使用。

[1]李宾,王太峰,张艳.浮空平台应急通信系统的应用[J].网络与应用,2010.06.

[2]张红卫,冯大毛.系留气球系留系统设计与使用[J].航电与系统,2011.06.

[3]曹洁.国外系留气球的发展与应用[A].科技资讯,2010(25).

[4]杨伟.一种基于浮空平台的通信系统应用[J].通信与信息技术,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]张志富,肖益君,王平安.系留气球空中系留系统研究[A].西安航空技术高等专科学校学报,2011.05.

[8]章广梅.应急通信中的升空传输技术研究[D].广东:华南理工大学,2010.10.