高空系留气球的防雷系统设计

费东年 高尚书

摘  要：高空系留气球的雷电防护是一项极其复杂的工程，目前国内外都还没有针对高空系留气球的雷电防护标准。本文从设备雷电防护的原理出发，在充分分析雷电可能对系留气球囊体表面及球上电子电气设备造成损坏的基础上，提出了一种基于法拉第笼等电位方式的新型防雷设计方案。本文重点对防雷杆、避雷索和导电装置等关键部件进行详细设计，从而确保系留气球遇到雷击时能够安全运行，最后利用缩比模型的雷电防护试验对设计方案的防雷效果进行了验证。

关键词：高空系留气球  防雷系统  系统设计  防雷杆  避雷索  防护试验

中图分类号：V273; V19                    文獻标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0010-05

Lightning Protection Design of Tethered Balloon System

FEI Dongnian*  GAO Shangshu

（No. 38 Research Institute， CETC， Hefei， anhui province， 230088  China）

Abstract： The lightning protection of high altitude tethered balloon is a very complex project. At present， there is no lightning protection standard for high altitude tethered balloon at home and abroad. Based on the principle of lightning protection， a new lighting protection design scheme based on Faraday Cage Equipotent mode was proposed on the basis of fully analyzing the possible damage of lightning to tethered balloons and the harm to workers. To ensure the safe operation of tethered balloon in case of lightning stroke， the key components such as lightning rod， lightning cable and conductive device were detailed designed. Finally， the lightning protection test of the scale model was used to verify the lightning protection effect of the design scheme.

Key Words： Tethered balloon; Lightning protection system; System design; Lightning proof pole; Lightning proof cable; Protection test

如今，随着科学技术和材料工艺技术的不断提高，系留气球的安全系统得到大幅度提高，已成为航空器大家庭中的重要一员。系留气球是属于轻于空气的航空器，可根据任务的需求将相应的电子设备升至指定的高度，目前已在雷达预警、对地观测、电子对抗、远程通信中继、气象观测、雾霾立体监测和视频监控等领域得到了广泛应用。

系留气球的工作场所主要集中在空旷的野外，在升空、滞空、回收和地面系留时，很容易遭遇雷击。雷电巨大的破坏力可能对系留气球的电子电气设备造成损毁，导致系统无法正常，甚至在空中失控脱系，严重威胁操作人员的生命安全。为适应各种地理条件和环境气候的作战使用要求，保障人身安全和设备安全，系留气球的雷电安全防护越来越受到重视。本文根据现有的防雷知识对系留气球的防雷系统进行详细设计。

1  雷电防护分析

对系留气球进行防雷设计，必须要首先了解雷电形成的原因和经过。

雷电是伴有闪电和雷鸣的放电现象，雷电发生的瞬间将释放巨大能量，高大建筑及电子电气设备一旦遭遇雷击，产生高电压及强电流会造成高大建筑及电子电气设备的毁坏，甚至会引发大火，造成无法估计的损失[1]。

作为一种重要的空中平台，系留气球在执行任务时，需携带任务载荷升至到几千米的高空[2]。在系留气球滞空期间，不可避免地会遇到雷击，这时球上的各种电子设备和供电缆绳就变成一个很好的“引雷装置”，轻则影响装置工作，重则可能造成装置坠毁、报废，并可能造成人员伤亡[3]。

系留气球滞空期间，整个系统都直接暴露在空气中，球上任何部位的电子电气设备都可能直接或间接地遭遇雷击损伤，因此整个防雷系统必须从立体、全方位的，从而避免雷电破坏系留气球囊体及电子电气设备[4]。

为了保证系留气球囊体和电子电气设备免受雷击损坏，保证系统正常工作，需要从球体、系留缆绳和球载设备等方面考虑雷电防护设计。

2  防雷系统设计

2.1 设计原理

系留气球的雷电防护原理：通过在球体表面布置适当的避雷针或避雷索，使雷电附着在避雷针或避雷索上，通过系留缆绳的金属网传至地面设备的接地回路中，将雷电导入大地，保护整个系统免受雷击。系留气球的雷电防护原理具体见图1所示[5]。

2.2 设计依据

自然界雷电由天气决定，人类对雷电的认知是一个从未知到逐渐认知的过程。雷电流幅值（I）大小取决于雷电发生时周围带电云层的电荷总量，具有一定的统计规律。根据前期大量科研人员统计的雷电流幅值历史数据，得出我国一般地区（西北地区除外）雷电流幅值超过I的概率，计算公式如下：

（1）

式中：P-雷电流幅值概率;I-雷电流幅值，单位为kA。

雷击指标可参考雷电流幅值统计数据，系留气球地面系留时，系留气球防雷分系统应防护超过99.5%的雷电，系留气球空中执行任务时，系留气球防雷分系统应防护超过90%的雷电，雷击避雷索断裂时，避雷索熔融颗粒不得使囊体产生穿透灼伤。

由上式计算可得出，雷电流幅值为30kA、88kA、100kA、150kA、200kA时，发生的概率分别为45.6%、10%、7.3%、2.0%、0.5%。

根据产品实际使用情况，并参考《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》GJB 3567-99，综合考虑将防雷指标按A+C分量进行设计：30kA的雷击电流时能正常工作， 200kA的雷击电流时不造成系统毁灭性破坏。

2.3 系统设计

防雷系统主要由球上防雷网和系留缆绳内部的金属网组成，球上防雷网与金属网上端连接，缆绳内部金属网下端接入大地，将雷电电流直接导入大地，保护系留气球不受雷击。本文将着重对球上防雷网进行详细设计。

球上防雷网由避雷索、防雷杆和导电装置等组成，布置在系留气球球体的周围，当系留气球处于带电云团中，可以形成法拉第笼等电位方式保护系留气球囊体[6]。

防雷杆布置在囊体上表面，用于支撑避雷索，避免避雷索与囊体和球上设备接触，防雷杆为绝缘树脂材料。

避雷索通过固定在球皮上的绝缘支撑（防雷杆），使避雷索与球皮保持一定的距离，形成电荷转移途径，避免雷电击中系留气球及球上设备。

避雷索的布置越多，雷电防护设计越可靠，但是这样会增加重量和成本。防护设计的任务就是在保证功能的情况下，选择最少的布置。以美国TCOM公司生产的32m机动式系留气球（具体参数见表1所示）为例，对系留气球的防雷设计进行详细设计。

防雷电系统沿纵轴方向，从系留气球头部开始设置一根纵向避雷索，从系留气球顶部延伸至系留气球尾部，并在尾部自由下垂，长度以整流罩最底处水平面为准。沿系留气球横向最大截面处附近，再布置一根横向避雷索，从左边中轴经过纵轴位置到右边中轴，该避雷索的两端分别通过系留拉索连接至系留部件，通过缆绳的避雷层接地。沿顶部中心线布置的纵向避雷线和周向布置的横向避雷线之间通过跨接线连接，从而保证纵向避雷索也能可靠接地，将避雷索连成避雷网增加屏蔽效果，保护球体和球上主要设备。跨接线与横、纵向避雷索的连接方式如图2所示。

所有避雷索都通过固定在球皮上的防雷杆进行支撑，使避雷线与球皮距离1～3m之间。

防雷系统具体布置见图3所示。

2.3.1 防雷杆

防雷杆设计由安装座、支柱、钢套环和安装支架等组成，具体见图4所示。

安装支架用于将避雷索固定在防雷杆上端，使避雷索与囊体表面保持一定的间距。

安装座安装在囊体上的蝴蝶结内部，与连接在钢套环上的三根强力绳将防雷杆固定在囊体表面，同时防雷杆垂直囊体表面，使避雷索与囊体表面之间的距离尽可能大。具体连接形式见图5所示。

支柱的材料选用环氧玻璃布管，该材料具有耐高温、绝缘性能好、力学性能好、击穿强度高及良好的机械加工性特点，适合在野外及潮湿的室外环境条件下使用。

支柱的长度直接决定避雷索和囊体之间的间距，从而决定避雷索形成的雷电防护区范围大小。为了保护囊体和安装在囊体上的所有设备，如  风机、阀门、测控系统等，避雷索形成的雷电防护区必须覆盖整个囊体，由于囊体的横向截面积大小不同，因此各个支撑点的防雷杆长度要求也不同。各点防雷杆的最小长度计算公式如下：

（2）

其中 ：R-气球主囊体半径。

由上述公式可以得出囊体最大截面处的支撑点高度值最大，即防雷杆长度最长，为：

2.3.2 避雷索

避雷索布置在囊体上表面，作为雷电电荷的转移途径，避雷索可能遭受雷电电流的焦耳热、电磁力、电弧注入及冲击波各种效应，需分别计算，综合考虑避雷索材料，选择合理的导体截面积[7]。

綜合比较铝、钢和铜3种常用的金属材料，具体参数见表2所示，从材料的质量热容、质量密度和熔点3个方面进行分析比较，考虑到野外的环境要求，最终将避雷索的材料优选为不锈钢材料。

避雷索遭受雷击时，雷电产生的电流通过避雷索时，电流非常大，会导致避雷索的温度急剧升高。设雷电电流通过导体发出的热量为Q发，Q发=I2Rt=ρI2Lt/s。避雷索吸收的热量为Q吸

则Q发=Q吸

简化上式后得：

（3）

式中：

S-避雷索截面积

I-雷击电流

Ρ-避雷索电阻率

t-雷击电流通过的时间

c-避雷索的热容量

d-避雷索的比重

△T-避雷索的温升。

根据《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》（GJB 3567-99）中的雷电试验电流波形，此波形模拟了自然雷击放电过程的电流特性。取I2t为6.25×104A2s。钢性能参数表如表3所示。

根据表3的各项参数，可计算出不同截面积的钢丝绳相对应的温升变化（如表4所示），综合考虑避雷索的强度和重量等要求，将避雷索的截面选择为6mm2。

3  缩比模型的雷电防护试验

雷电防护试验主要是模拟系留气球在雷击区遭受雷击的过程，检测雷击区的球体及球上电子电气设备等受到雷电损坏的可能性，确定金属或导电材料雷电附着的位置，从而进一步确认避雷索布置的高度和范围能否吸引雷电引向自身而避免击向球体表面及球上电子电气设备，来评估避雷索布置的合理性[8]。

根据国内外对雷电防护试验的研究进展，结合试验目的，取H/h=10-20值时，选择雷电模拟先导高度H为100～200cm，模拟避雷索高度h=280～450/20=14.0～22.5cm，制作一缩比球，其尺寸为实际球体的1/10。试验前主气囊充氦气，尾翼充空气，整流罩内放入任务设备缩比骨架。布置好避雷索、支撑和传感器引线等，详见图6。

试验结果显示：气球囊体及球载设备未见任何损伤，电子设备工作正常。

可见采用本文提出的避雷网方案，当系留气球在地面驻留状态和滞空状态下遭遇雷击时，可以使雷电有效附着到避雷索上，从而对气球形成有效的雷电防护。如图7所示。

4  结语

本文通过分析高空系留气球系统在外场使用的恶劣环境，针对雷电可能其造成损伤的可能性，提出了一种利用防雷杆、避雷索和导电装置在系留气球外围形成法拉第笼等电位的防雷设计方案，并通过实际缩比模型的雷电防护试验验证了设计方案的合理性和有效性。

但系留气球的雷电防护是一项极其复杂的工程，本文所提的防雷设计方案还需在以后的实际应用中进行不断的验证和改进。同时从安全角度考虑，系留气球在外场使用过程中，应加强天气预报尽量规避雷暴天气升空。

参考文献

[1] 朝鲁.探析雷电的形成、危害及现代防雷技术[J].农家参谋，2019（22）：164.

[2] 谭百贺.机动式系留气球飞行过程模拟[J].科技视界，2020（24）：41-43.

[3] 李洋旻.系留气球用系留缆绳防雷技术的探讨[J].光纤与电缆及其应用技术，2017（2）：18-21.

[4] 曹剑坤，陈中.系留气球的球载设备雷电间接效应试验方法[J].科技视界，2019（10）：48-50.

[5] 蒋戎林.雷电防护原理、技术及实例探讨[J].四川气象，2002（3）：58-60.

[6] 卢芳春.系留气球球体结构独立监测系统研究[J].工程与试验，2021，61（1）：59-60.

[7] 孙健.浮空器用轻质等离子体传导式避雷索的雷电防护特性研究[D].合肥：合肥工業大学，2016.

[8] 王春雷.国外整机雷电试验系统综述[J].环境技术，2019（6）：185-189.