傳媒飛艇用系留綜合纜制造技術探討

宋 杰， 辛秀東， 吉 利， 魯 祥， 鄒葉龍

(上海電纜研究所，上海200093)

1 概述

系留氣球(或飛艇)作為一種理想的空中平臺，自其誕生之日起，就受到了人們的青睞。它具有留空時間長，覆蓋面積大，能源消耗低，便于拆收，機動性強的特點。通過將各種攝影、攝像設備，電(光)偵察設備以及電(光)干擾設備等安裝在吊艙中，可對電磁波輻射范圍內(nèi)的地物和地貌、人員和設施等自動完成攝影、攝像、信息偵察和干擾，以及遠距離通信等任務;亦可用于大氣和環(huán)境監(jiān)測、緝私、應急通訊系統(tǒng)等民用領域。作為一種升空平臺，系留氣球可為球載設備提供較大的對地視界范圍，其滯空高度越高，覆蓋范圍越大。

系留氣球下端懸掛一個吊艙，借助于氣球浮力漂浮在空中。倘若在吊艙中安裝上各種無線電臺，它就可構成一座無人升空通信平臺，相當于將無線電波接力站從地面搬到高空，將地面電臺發(fā)出的無線電波經(jīng)過它的接收、放大就可自動地轉(zhuǎn)發(fā)到另一地區(qū)，完成遠距離電波中轉(zhuǎn)任務。

根據(jù)登高望遠的道理，系留氣球升得愈高，升空通信平臺輻射出無線電波的范圍就愈廣，通信距離也就愈遠。試驗和統(tǒng)計表明，當系留氣球攜帶1 kW通信設備升至50 m時，通信距離可達80 km;升至2 000 m，通信距離可達160 km;升至6 000 m，通信距離可達320 km。

1.1 系留氣球和飛艇的發(fā)展簡況

系留氣球和飛艇的應用最早可以追溯到18世紀末期，當時主要用于觀察戰(zhàn)場和戰(zhàn)區(qū)軍隊的配備和運動情況。在第一次世界大戰(zhàn)期間，系留氣球用于大炮炮彈彈著點的觀測;在第二次世界大戰(zhàn)時，除了戰(zhàn)場觀測和炮彈彈著點的校正觀測外，還用于城市的防空，攔截低空突防的轟炸機，起到保衛(wèi)城市、艦船和軍事目標的作用。

和平年代，系留氣球和飛艇更多的用于氣象預報、飛行器監(jiān)測、廣播通訊、地形測繪、城市警務、應急通訊業(yè)務等，此外，系留氣球還可以進行低空預警，特別是作為邊防、海防的空中監(jiān)測平臺以及對反恐的監(jiān)測都是一種極好的選擇。尤其可用于災(如地震)后通訊、勘測應急系統(tǒng)的建立，具有極強的實際意義和應用價值。

1.2 系留氣球和飛艇系統(tǒng)的結構和功能

系留氣球和飛艇的基本結構是由頭錐、囊體、尾翼、設備或吊艙以及纜繩等組成。頭錐是系留氣球或飛艇與地面系留時的重要承重部件;囊體則用于充注升力的氣體(本文介紹的是充注氦氣);尾翼(包括舵面)為氣球或飛艇提供穩(wěn)定和操縱;設備或吊艙為飛行員及系統(tǒng)設備提供搭載空間;纜繩(本文又稱為系纜或系留綜合纜)是為氣球定點系留提供約束力，還可以為氣球球載設備傳輸電能，以及提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w線路。

1.3 充氦氣球用系纜

系纜也是充氦氣球系統(tǒng)中重要的組成部分，也是本文主要論述的主題，以往采用鋼纜，由于重量很重，直接影響到了系留氣球的有效載荷，已逐漸被淘汰。近年來，充氦氣球和飛艇的纜繩，已逐漸被匯集銅導體電力電纜、光纜和保護層于一體的多功能綜合纜取代，并有以芳綸(Kevlar)纖維受力構體代替鋼絞線的趨勢。

系纜作為系留氣球與地面設施的連接線，用于發(fā)放、回收氣球，并具有傳輸信號和供電功能。系纜中心是導線，導線包以Kevlar纖維，最外層為金屬編織套，用于避雷作用。地面上還有機械轉(zhuǎn)臺、系留塔、絞盤、操作控制室等設施。

高強度系留綜合纜正是氣球與地面設備之間始終保持連接的纜，是保證系留飛艇正常可靠工作的關鍵器件，是其升空高度的決定因素。由于國內(nèi)尚未開發(fā)該類產(chǎn)品，因此也是氣球飛艇系留系統(tǒng)在國內(nèi)不能得到廣泛應用的關鍵所在。

2 根據(jù)使用特點提出產(chǎn)品的技術要求

由于該產(chǎn)品作為高空飛艇系留系統(tǒng)的“生命線”，因此必須認真根據(jù)產(chǎn)品的使用特點及用戶的要求，提出產(chǎn)品的技術要求:

(1)可同時具備抗拉、傳電、通光三大功能;

(2)具備超高、高可靠的抗拉性能;

(3)具備超輕的單位重量;

(4)具有較好的柔軟性，可滿足反復收放及反復彎曲的性能要求;

(5)綜合纜中電單元發(fā)熱時應對光纖性能以及綜合纜的機械強度均無影響;

(6)考慮小重量、大長度要求下綜合纜電單元壓降溫升問題;

(7)考慮光纖在大拉力、強壓力作用下的附加衰減控制;

(8)允許的最小破斷力不小于120 kN;

(9)允許的最小壓扁力不小于10 kN;

(10)試驗裝置(設備)及試驗方法選擇和確定;

(11)滿足避雷、防蝕、防紫外等環(huán)境其他要求。

3 產(chǎn)品結構設計和材料的選用

3.1 結構的考慮

該綜合纜的電單元要求一般為三相四線制，如果按照傳統(tǒng)的電纜結構考慮應為三個動力線和一根地線組成，四根通電單元的導體直徑和絕緣厚度均相等。出于通信容量和保密等方面的考慮，采用光纖通信。也就是說，整根綜合纜至少有五個單元，即四個電單元和一根光單元，而這幾個單元的外徑大小基本相當，這樣需在中心增加一根填芯，并形成1+5成纜后的纜芯結構。為了減少綜合纜的外徑及單位長度重量，考慮到纜芯結構較小，且在各個單元之間尚有一定的空隙，故最終結構是將地線單元拆分為四個小的單元，分別放置于四個大單元的空隙之中。

3.2 絕緣單線

由于該綜合纜要給終端的設備供電，電纜中將通過很大的電流和較高的電壓，因此絕緣線芯必須為連續(xù)的單線，既無接頭和擊穿點，也無竹節(jié)和鼓包，并應進行全程火花檢測和測徑儀監(jiān)控。

在選擇絕緣材料及確定絕緣厚度時，要綜合考慮以下幾方面因素:絕緣材料的加工工藝、絕緣材料的耐壓等級、導體發(fā)熱對纜的影響、綜合纜的單位重量及外徑限制等。表1為三種絕緣材料的性能比較，經(jīng)綜合考慮，確定采用聚四氟乙烯作為絕緣材料。

表1 三種絕緣材料的性能比較

3.3 光單元

3.3.1 光單元的設計

光單元作為傳輸信號的載體是在整根綜合纜中最薄弱的一個單元，因為在不小于120 kN的拉力及10 kN壓扁力的作用下，綜合纜光單元受到很大的縱向拉力及徑向的側(cè)壓力，如果不采取完善的保護措施，光單元將會產(chǎn)生明顯的附加衰減甚至于使光纖斷裂。為了有效地保護光單元，考慮幾種措施:一是采用聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)松套結構，并在松套管外再擠包一層聚乙烯護層，起保護作用，或者是松套管采用鋼管，并在鋼套管外再擠包一層聚乙烯護層，起保護作用;二是采用芳綸纖維增強。

3.3.2 光纖在大拉力、強壓力作用下的附加衰減

光纖在受到外力作用時，無論是拉力還是壓力都將產(chǎn)生光傳輸衰減的增大，使光通信傳輸性能受到影響。通過控制光纖在套管中的合理余長，以及纜芯在成纜絞合時的合理節(jié)距，使光纖在0～60 kN拉力時光傳輸衰減不受影響;在60～120 kN拉力時僅受到輕微的影響，但產(chǎn)生的附加衰減控制在合理的范圍之內(nèi)。

3.3.3 考慮能承受10 kN壓扁力的光單元設計

普通型光纜通常要求承受3 kN壓扁力，而本產(chǎn)品要求承受10 kN壓扁力，因此，光單元必須有足夠的防護措施才能承受住如此大的側(cè)壓力。

常規(guī)的通信光纜是將光纖套入由高模量的聚酯(PBT)材料做成的松套管中，套管內(nèi)填充防水化合物，以確保良好的阻水防潮性能。松套管的優(yōu)點是比較柔軟，有較小的彎曲半徑;其主要缺點是抗側(cè)壓能力較差。另外一種方式是采用激光焊接不銹鋼管對光纖進行保護。用這種技術生產(chǎn)的光單元，光纖余長得到很好控制，內(nèi)填充防水化合物，確保了良好的阻水防潮性能。該結構的最大特點是抗側(cè)壓能力強，不足之處是柔軟性較差。當纜繩應用要求側(cè)壓力達到10 kN以上，持續(xù)時間1 min，光纖附加衰減小于1 dB，以及在壓力去除后光纖應無明顯示殘余附加衰減時，考慮選用抗側(cè)壓性能較好的鋼管作光單元的“保護衣”。

3.4 護套

無論是光纜還是電纜或是光電綜合纜，護套的作用都是相同的，那就是保護纜芯免受傷害，確保內(nèi)部核心部件能夠長期安全、穩(wěn)定的運行。常用的護套材料有PVC、PE及其為基礎材料的一些衍生材料，近年來聚醚型熱塑彈性體聚氨酯(TPU)材料逐漸被廣泛的應用。

綜合纜要長期在空中工作，并且要反復進行收放，且在收放的過程中極有可能和其他物體相互摩擦碰撞?；谝陨线@些考慮，護套的材質(zhì)就需要具有較高的機械強度，且耐磨。由于PVC材質(zhì)的護套機械強度低，耐磨性能差，因此被排除在外。TPU具有以下幾個主要特性:與橡膠一樣為極好彈性體(伸長率為 300%～600%);耐磨;耐寒(－40～70℃);耐油性(耐酸堿);耐水解;耐抗菌性;環(huán)保(可自然分解)，因此該材料是最佳的選擇。

3.5 加強件

3.5.1 加強單元的設計

系留綜合纜要實現(xiàn)抗拉力不小于120 kN的要求，以及在此拉力下，應滿足相應的電氣性能和通信性能的要求。這就需要使用大量的芳綸纖維，即使選用目前市場上最高強度及模量的芳綸纖維，芳綸纖維的截面也須高達120 mm2，而且要想讓如此多的芳綸纖維發(fā)揮到最大的效力，則必須注意如下兩點:(1)當芳綸纖維繞包(或絞合)時，繞包角即繞包的纖維與被包的線芯軸線之間夾角α要盡可能小，這不同于常規(guī)的繞包帶繞包，更像金屬絲的絞合，因此有時也可稱其為絞合;(2)必須使各芳綸纖維的張力盡可能均勻一致，這樣才可滿足設計的要求。

3.5.2 加強單元的試制

大量的試驗數(shù)據(jù)表明，首先必須確保單根芳綸纖維性能均勻和穩(wěn)定，拉力應達到預期要求;其次要求繞包機的繞包頭張力均勻，使各盤放線張力均勻一致。在芳綸纖維繞包及護層擠制后，進行拉力性能試驗，試驗結果見圖1。從圖中可知，綜合纜的抗拉力可達120 kN及以上，光纖附加衰減不大于0.05 dB，完全符合設計要求。

圖1 綜合纜拉伸試驗

3.6 單位重量

綜合纜作為承力單元，拉住懸浮在空中的氦氣球，纜繩基本處在垂直狀態(tài)，因此，要求纜繩總重量不要過重，在滿足氣球浮力允許范圍內(nèi)，纜體越輕越好。因此必須選用芳綸纖維加強以及密度相對較小的各種絕緣及護套材料，同時在結構和工藝上要使產(chǎn)品穩(wěn)定和緊湊。

3.7 電纜壓降研究

地面控制中心的電源設備發(fā)送一定的功率，經(jīng)綜合纜傳輸?shù)浇K端設備——氣球或飛艇中相關設備，在傳輸?shù)倪^程中將產(chǎn)生一定的壓降。如果壓降很大的同時要使終端設備正常工作，則始端所施加的電壓就要升高，這樣就需要在始端增設增壓設備，使成本提高;其次，線路電壓越高，則要采用更高的安全措施。因此，宜在輸電線上采取相應的措施;如果要降低電壓損失，則要增大導體線徑，這就會使系留綜合纜變粗、變重。因此，必須合理選擇導體的截面積，并在選定導體截面積后驗證電壓壓降能否滿足使用的要求，為此進行了如下工作:針對終端設備是感性還是容性確定對線路可能產(chǎn)生的壓降影響，分別用電爐、燈泡和電扇作為終端負載，經(jīng)過大量的模擬試驗得出電線的壓降不僅與終端負載有關，而且與線纜的電感、長度、電阻有關，因此，設計時控制好電感、電阻，可以獲得合理的線路壓降。根據(jù)傳輸線理論，可由下式求得線路傳播常數(shù)γ和線路波阻抗Z0:

由設計條件已知終端負載及終端電壓U2及電流I2的條件下，可由下式計算電路始端的電壓U1及電流I1為:

式中，R0為導線回路直流電阻(Ω/km);L0為導線回路上的電感(H/km);C0為導線之間的電容(F/km);G0為導線之間的電導(S/km);L為導線長度(km)。

以上公式僅適用于線纜直線狀態(tài)傳輸，當線纜處于成圈狀態(tài)時，應考慮其感性效應對線路的壓降影響并另行計算。

3.8 環(huán)境性能考慮

綜合纜長期停滯在空中，需要應對各種自然天氣條件，同時還要反復的進行收放工作，因此要有很好的耐環(huán)境能力及很好的反復彎曲能力，其次附件裝置應具備防雨和三防(防潮、防霉菌、防鹽霧)的能力。

4 結束語

和固有信號平臺相比，系留氣球(或飛艇)平臺系統(tǒng)具有卓越的靈活性、適應性、隱蔽性。隨著科技的迅猛發(fā)展，其應用領域?qū)@得進一步的拓展，并將在國民經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮重要作用。

系留電纜的成功研制和技術普及，將會解決高空系留系統(tǒng)的通用技術，對線纜行業(yè)的發(fā)展起到推動的作用，并將在氣象、偵測、通訊等領域得到廣泛應用，因此具有一定的技術及經(jīng)濟價值。

［1］吳希再，熊信銀，張國強。電力工程［M］.華中科技大學出版社，2001.

［2］秋關源.電路［M］.高等教育出版社，2003.