浅谈空中多面手——系留气球系统

关键词：由于系留气球系统具有使用成本低、留空时间长、污染小、无噪声、制造简单、生产周期短及易于改进等诸多优点，特别适应于当今世界的需求。作为一个空中多面手，可广泛应用于预警探测、光学侦查、气象探测、雾霾测量、通信中继、应急反恐等诸多领域。

关键词：系留气球 探测 雾霾

在2010年上海世界博览会和2014年珠海航展期间，在现场参观的人们可以看到空中漂浮着一个又大又圆的气球，其球体通过缆绳和地面锚泊设施相互连接，整体感觉像一只在空中游弋的大白鲸，即美丽又壮观。这种设备就是我国新近研制成功的素有“空中多面手”之称的新型浮空器，学名称为系留气球系统。

一、特点

系留气球系统被划归为航天产品，属于无动力航空器，其球体容积一般在数百立方米到数千立方米之间，依靠球体内部所充轻质惰性气体——氦气提供上升浮力。系留气球球体和地面锚泊设施通过高强度系留缆绳相互牵引，保证气球升空后能够悬停在一定高度，气球升空高度一般情况下不超过海拔2km。由于系留气球系统具有使用成本低（消耗能量少、易于维修）、留空时间长、污染小、无噪声、制造简单、生产周期短及易于改进等诸多优点，特别适应于当今世界的需求。比如在美国，中小型系留气球大量应用于边境反毒品走私、广播通信、气象研究、战场通信、战地侦查等军民领域，而用于边境监视、空中预警的大型系留气球已构成其国家战略防御体系的重要组成部分。我国的系留气球系统相对来说起步较晚，但是目前已经进入快速发展阶段，特别是利用系留气球系统可以在空中进行长时间定点观测的显著优势，建成可靠、有效的空中载荷平台，可以在上面开展广泛应用，比如预警探测、光学侦查、气象探测、雾霾测量、通信中继、应急反恐等诸多领域。

二、具体应用

1.预警探测。系留气球系统在军用领域有着重要的应用价值，如果充分利用空中优势，将系留气球作为武器装备平台（预警、侦察、通信等），加装相应的功能设备，在其基础上研制开发新型情报侦查和探测预警系统，在有效克服地球曲率、地物遮蔽等环境影响前提下，显著提升侦查和探测威力，扩大侦查和探测范围，往上仰视能够看到空中情况，往下俯视能够看到地面情况，一举两得。以军用传统地面情报雷达为例，由于架设位置受到限制，周围有高山、高大建筑物、树林等，难以克服地球曲率和地物遮挡，影响雷达探测威力和精度，系留气球雷达可以利用高空优势，显著提升探测能力，同时对中低空小目标具有良好的侦测功能，甚至可以兼顾空中和海上目标探测，因此在军用领域存在独特的使用价值。外军进行的试验证明，一艘飞行高度为3000m的飞艇，其雷达对高度在340m左右的空中目标探测距离可达300km。

2.光学侦查。光学侦查是系留气球系统最典型的应用之一。由摄像机镜头参数与观察角度，观察距离关系可知，通过增加高度，可以增大摄像机观察范围，也就是人们常说的“站得高看得远”。通过搭载多台高清晰度、大動态，具有红外功能的光学摄像机，无论白天还是夜晚，都可以保证对球下广大区域进行24小时不间断光学侦查。球上摄像机采集到的视频信号实时传输到地面指挥中心，值班人员一旦发现区域内情况出现异常，可以控制摄像机角度和方位，对重点区域进行放大监测，以便掌握现场第一手资料。

3.气象探测。系留气球系统使用过程中滞空海拔高度一般几百米到2000米之间，该段高度处于对流层内较低位置，气象变化复杂，在确保安全的前提下可以利用系留气球系统有效的进行低空气象探测。2016年6月23日下午14点30分左右， 江苏省盐城市遭到了突如其来的龙卷风袭击，造成严重的人员伤亡和财产损失。由于龙卷风具有形成速度快，持续时间短，破坏力强，事发区域难以预报，事后难以模拟、验证等特点，因此龙卷风的预报一直是个世界难题。据气象学家研究表明，龙卷风形成初期，使近地面空气受热快速上升，此时气压急剧降低，形成一个大尺度空洞，周围较冷气流在气压作用下被急速推入空洞，大量冷热气体碰撞、摩擦变为绕轴心向上的热气流，快速旋转上升形成龙卷风。通过加装相关测风仪器，系留气球系统在龙卷风高发区域，可以连续测试不同高度层风速和风向差异和变化，为积累气象探测数据，增加预报经验，减少气象灾害起到积极作用。

4.雾霾测量。雾霾是雾和霾的组合词。在相对湿度80﹪-90﹪时，雾和霾的混合物造成大气污染和能见度下降，即为雾霾天气。 雾霾天气影响正常的交通、生活，同时也对会人体产生较大损伤，主要影响到心血管、肺等器官。对雾霾探测，常用手段是采用基于气象学的激光云高仪进行探测，根据相关探测数据表明一般霾的高度层在1km左右。相对于安置在地面的云高仪器来说，采用系留气球可以从底到上横跨整个雾霾层，能够更加准确、快速测量出不同高度层大气环境中的PM2.5、二氧化硫等指数，为有关部门发布大气污染预防、制度环境治理方案提供强有利的技术支撑。

5.通信中继。微波是一种沿直线路径传播的电磁波，在没有建筑物、山川地形、地球弯曲表面等遮挡的“可见”的情况下[7]均可能建立通信链路。微波是人们经常接触到的一种电磁波，比如日常使用到的WIFI，其发出的信号也是微波。微波有个显著的特点，那就是传输线路上不能有阻挡，如遇到遮挡时信号衰减会大幅度增加，严重时会导致通信中断。采用微波通信时，如果需要互相传输信息的两点之间遇到难于逾越的阻挡，可以考虑采用系留气球系统。在上面搭载微波通信中继设备，利用高度优势，让系留气球系统起到中转站或转发器的作用，便解决通信难题。同时在移动通信方面，可以把通信基站加挂到系留气球系统上，随着高度的大幅度增加，基站的覆盖范围也扩大了很多。据有关实验数据表明，升到空中的移动通信基站，其通信有效扇区覆盖区域可达十几或数十平方公里，相比于地面基站有了本质的改变。利用这一独特优势，通过搭载通信基站，系留气球系统还是非常好的应急通信平台。

三、结语

系留气球系统作为空中通用平台，通过搭载不同任务载荷从而实现各种监测功能，不愧为“空中多面手”的美誉。随着我国浮空器整体产业的快速发展，系留气球系统将会得到更大的推广和应用，在各个领域发挥更好的使用效能，创造更多的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]冯大毛.系留气球系留系统[A].2007年中国浮空器大会论文集[C].北京：航空工业出版社，2007：201-206.

[2]张红卫，冯大毛.系留气球系留系统设计与使用[A].2011年中国浮空器大会论文集[C].北京：航空工业出版社，2011：315-324.

[3]刘鹏，盛怀杰，廖明飞.浮空器优势分析及其军事应用[J].飞航导弹.2011（9）：84-85.

[4]侯东兴，刘东红.浮空器在军事斗争中的应用及发展趋势[J].航空兵器.2006年（6）：60-64.

[5]邵浩.雾霾的监测与应对[J].国际人才交流.2013（3）：14-15.

[6]卜令兵，袁静，高爱臻.基于云高仪的雾霾过程探测[J].光子学报.2014（9）： 0901002-1-0901002-6

[7] 杨剑.UHF数据链重要性能参数确定方法[J].电子科技.2010（8）：103-104.

作者简介：高启学（1975、9-）男，汉族，研究生学历，安徽四创电子股份有限公司高级工程师，目前主要从事系留气球保障工作。