系留气球雷达系统空中结构总体设计

张志富

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 国家级工业设计中心，合肥 230088)

图1系留气球空中结构示意图

系留气球雷达系统利于系留气球将雷达载荷升空到一定高度，降低地球曲率的影响，增大雷达视距，实现低空预警，是预警机和地面低空探测网的有效补充[1]。按照空间位置，系留气球雷达系统可分为空中设备和地面设备，空中设备包括球体结构、系留缆绳、测控分系统、压力调节分系统、电源分系统、防雷分系统和雷达球上设备。地面设备包括地面系留设施、缆绳收放设施、地面显控设备、氦气保障设备、移动电站、气象保障设备等。球体结构一般包括囊体(氦气囊、空气囊、尾翼、整流罩)、头锥、拉索、设备挂架等。典型的系留气球空中结构如图1所示。本文主要讨论空中部分的结构总体设计。

1 球载雷达

雷达是整个系留气球载雷达系统中的任务系统，分为球上设备和地面设备。

球上设备安装在整流罩内，主要包含天馈线、稳定平台系统、发射分系统、接收分系统、信号处理及终端、监控分系统、通讯分系统、电源分系统、询问机、电子设备机架和维修平台等。由于气球的升空高度和所携带的有效载荷能力是有限的，而且受整流罩的外形尺寸、球上供电和安装维护等因素限制，雷达系统球上设备在满足系统性能要求条件下要尽量做到轻型化、小型化和模块化。为了减少尺寸和重量，保证系统正常稳定工作，通常把各分系统电子设备和天线紧凑地集成在一个电子机架上，电子机架通过稳定平台挂载系统设备挂架上，借助稳定平台来减少系留气球自身运动对雷达稳定性的影响[2]。典型的雷达球上设备如图2所示，该雷达为洛克希德·马丁公司研制的L-88型雷达。

地面设备主要包含显控台和设备机柜，一般安放在地面控制中心或情报方舱内。

图2 典型的雷达球上设备

2 囊体

囊体是系留气球产生浮力的主要部件，成水滴状或纺锤体，内部用薄膜材料将囊体隔成两个部分，上部为氦气囊，下部为副气囊。氦气囊内充入99%的氦气，副气囊充入空气。尾翼布置在囊体的后部，呈倒“Y”型，对系留气球起稳定作用。整流罩布置在囊体下部，用于保护雷达球上设备和球载电子设备。

主气囊是系留气球的主要部分。当一个系留气球主气囊形状及尺寸确定之后，就要对主气囊进行结构设计。主气囊依靠内部气体压力保持外形，同时又要携带外部载荷，在内部和外部载荷双重作用下，应具有足够的强度。首先对主气囊材料进行经纬向的拉伸强度和撕裂强度测试，再进一步结合主气囊材料的热合特性，确定主气囊结构设计中采用的材料及其结构形状。一般情况下，为了充分利用主气囊材料，主气囊周向方向分为若干条幅，每个条幅再由若干个片幅组成。根据经验[3]，大型囊体分为16个条幅比较合理，每个条幅的最大宽度B=π·D/16(D-主气囊最大直径)，每个条幅的片数可根据囊体材料的供货宽度确定。目前囊体材料一般的供货宽度约为1400mm，所以每个条幅的片幅约为N=L/1400(L-每个条幅的最大长度)。

副气囊的作用是为了在不排放气囊内浮升气球的条件下，通过排除(充入)空气改变副气囊的容积，以保持囊体内外压差在一定范围，进而保持囊体的结构形状和刚度要求。副气囊是通过隔层在囊体内部隔出的一个空气室，通常位于囊体底部。副气囊的大小取决于系留气球要升空的最大高度和当地大气环境温度。有代表性的是，虽然系留气球处于最大高度时，必须确保副气囊在设计时完全无损伤弯曲，最大容积仍可以占囊体总体的25%～40%[4]。

尾翼是保证系留气球自稳定性和对风特性的主要部件， 易正清[5]对尾翼参数的选择进行了探讨：(1)系留气球尾翼翼型可选择一些相对厚度较大的低速对称翼型；(2)在保证尾翼气承刚度和加工工艺可实现及尾翼重量分配允许的前提下，尽可能选择相对厚度较小、较大的展弦比和后掠角的翼型；(3)为了有效减小主气囊对尾翼的屏蔽作用，可选取中等的梢根比，约1/3～1/2为佳。典型的尾翼结构形式如图3所示。

3 刚柔耦合设计

刚柔耦合设计就是将一些金属硬式结构设备与囊体连接的设计。安装在囊体上的设备主要包括压力调节的设备、系留结构设备、电子设备等。压力调节设备有风机、阀门、充氦阀、测压管等，这些设备是直接在囊体上开洞连接在囊体上的，一般采用金属压板式安装方式；系留结构主要包括系留拉索、机械拉索、交叉拉索、整流罩拉索等索具，这些设备的安装主要靠热合在囊体上的抓手连接；其他设备如头锥、设备挂架、风速风向仪挂架等大型管件结构，通过与囊体上的绑扎带绑扎在一起连接，典型的设备安装形式如图4所示。

图3尾翼结构示意图

图4典型的设备安装形式示意图

4 安全性设计

根据经验，系留气球设计的安全系数取值如表1所示。在方案设计时，要根据气动计算给出的载荷，对囊体、球上安装设备、系留结构等进行强度分析，找出薄弱环节，通过设计改进，采取措施进行加强设计，在囊体应力比较集中的部位采取加强措施，如在整流罩与主气囊连接部位，尾翼与主气囊连接部位，在设备安装的绑扎带及开空洞的边沿部位，进行多层热合加强。同时，考虑可能发生气压过高的可能性，危及囊体安全，设计氦气阀门，必要时，打开该阀门进行放氦气；在可能发生逃逸现象时，增加快速破坏囊体的撕裂装置，以迅速放掉氦气，使气球尽快下落至地面。雷达与球体之间的安全设计，可以利用三维仿真手段，通过合理布局和限位设计，保证气球在空中不同运动姿态甚至是极限姿态下，雷达设备不会与气球整流罩和桁架发生碰撞。

表1 球体结构安全系数取值

5 轻量化设计

重量是浮空器产品中重要的指标，一个系留气球的升空重量主要包括囊体重量、气体重量、系留缆绳重量、球上电子重量及雷达重量等。主气囊重量可由下式计算：

M主=K连·K小件·ρ·S

式中：K连—考虑连接结构重量的系数，参考表2；

K小件—考虑局部加强，耳片等小件重量的系数，焊接时取1.11，胶接时取1.17；

ρ—主气囊材料单位面积重量；

S—主气囊表面积；

系数K连的值可以参考表2确定[6]。

表2 各种囊体材料不同连接型式时的K连系数值

由此可见，要想囊体重量轻，首先要在满足强度要求的情况下，尽可能选择密度比较小的材料。气囊中气体质量是系留气球自身重量的组成部分，氦气渗漏或者氦气囊中进入空气，都将使系留气球的净浮力降低。避免氦气泄漏渗透造成系留气球净浮力损失，也可以说是减轻系统重量提高载重能力的重要方法。一是选择纯度较高的氦气；二是囊体材料应具有强度高、密度小、低渗透率和优良的加工工艺性等特性；三是采用良好的加工工艺，使囊体接合缝热合严密不漏气。系留缆绳是气球载雷达预警系统中的一个关键部件，应具有承受系留载荷、电力传输、防雷击保护等功能。新型系留缆绳一般由导电层、承力层、泄雷层和防护层组成，在结构中优化结构形式，选择具有抗拉强度高、重量轻的凯夫拉制成。系留气球结构件重量占其自身的比例较大，主要形式是各种桁架和框架结构，利用分析计算对这两种结构进行优化，可以有效减轻重量。如头锥、设备挂架采用铝管焊接而成，压力调节设备采用高强度的铝合金板材加工而成，拉索金属接头采用强度高、密度低的钛合金材料。雷达在设计过程中,利用新材料、新工艺以及多学科综合的数字化设计手段，通过进行系统优化、结构设计、力学性能分析，采取措施使雷达结构体积小、重量轻。如电子机架与天线的一体化设计，天线骨架采用泡沫夹层复合材料、天线采用轻质碳纤维材料等。

6 环境适应性设计

系留气球雷达系统长时间处于室外，所处的环境比较复杂，会经历强风、雷电、强降雨和温湿压变化大等自然环境。在系统设计阶段，应全面分析、充分考虑环境因素的影响，经过各分系统的认真设计，从材料、元器件 、零部件、设备等各个级别上提高装备对预定环境的抵抗能力，从结构设计上考虑采用减缓或降低其所在环境的严酷度。为满足项目环境适应性设计，采取热设计、故障软化设计、冗余设计、简化设计、容差设计、降额设计、电磁兼容性设计、环境防护设计等措施。为应对风速和风向的剧烈变化，系留气球通过内外压差保证其外形和刚度，进而保证其气动性能，提高抗风能力；在防雷设计上，一般对球体采用防雷网防护、导体笼防护和悬索导线防护；在电磁兼容性设计上，在系统之间和系统内部进行分析、预测和控制，采取局部屏蔽隔离、有源器件的选用、合理布线、设备接地滤波等措施；对安装设备采取有效的防雷防雨防尘措施，如在设备安装周边设置防雨条，防止囊体上流下的水直接进入设备内及沿设备安装缝隙渗入囊体内。此外，为了能够快速地了解使用场地的天气情况，做好预防措施，提高可用度，一般随系统配备风廓线雷达、云雨雷达、地面气象站及除冰雪装置等保障设备。

7 结语

随着现代科学技术的进步，系留气球雷达系统得到了很快发展，系统能否安全可靠地发挥作用，空中结构设计起到很重要的作用，系统整体性能要想有很大地提升，空中电子设备及大型结构件应向小型化、轻量化发展，使系统升得更高，看得更远，得到更广泛的应用。