系留氣球系留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

武警工程大學(xué)信息工程系 何 強(qiáng)

引言

作為一種新興的空中通信平臺(tái)，系留氣球自從其誕生起，就受到人們的廣泛關(guān)注。它具有滯空時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋范圍廣，能源消耗低，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，便于拆裝回收，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)等特點(diǎn)。在系留氣球升空后，系留氣球平臺(tái)僅僅依靠一根系留纜繩與地面設(shè)備進(jìn)行連接，因此系留氣球系留系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到系留氣球是否能安全穩(wěn)定可靠的系泊在預(yù)定高空?qǐng)?zhí)行通信任務(wù)，也是影響氣球回收的關(guān)鍵因素。

系留系統(tǒng)主要由空中系留系統(tǒng)與地面錨泊系統(tǒng)兩部分組成，本文將分別對(duì)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)與說明。

1 系留系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)原則

系留氣球系留系統(tǒng)的主要功能是將系留氣球升往高空進(jìn)行穩(wěn)定的工作，以及不工作時(shí)的回收，通過系留纜繩對(duì)系留氣球進(jìn)行空中定點(diǎn)系泊，保證系留氣球在空中的穩(wěn)定性；另外，還通過系留纜繩使系留氣球與地面設(shè)備進(jìn)行連接，并且作為地面系統(tǒng)維護(hù)檢查保養(yǎng)系留氣球時(shí)的工作平臺(tái)。

由于系留氣球的特殊性。在設(shè)計(jì)系留氣球的系留系統(tǒng)時(shí)，除了要遵循設(shè)計(jì)常規(guī)浮空平臺(tái)系留系統(tǒng)的基本原則以外，還必須充分考慮以下幾點(diǎn)：

（1）三點(diǎn)系留

系留氣球通過囊體的頭部系留點(diǎn)和中部左右的系留點(diǎn)對(duì)氣球進(jìn)行定點(diǎn)系留。地面錨泊系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置三臺(tái)絞車對(duì)氣球進(jìn)行系留。氣球升空回收過程中，由三臺(tái)絞車同時(shí)控制系留氣球，對(duì)其進(jìn)行精確的定位；氣球在系留時(shí)，通過三臺(tái)絞車以及其他輔助系留裝置對(duì)其進(jìn)行固定。三點(diǎn)系留的設(shè)計(jì)可以有效克服常規(guī)浮空器工作時(shí)需要大量地勤人員的問題，降低因系留氣球在空中長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，需要保留保障的地勤人員的費(fèi)用。對(duì)于小型的系留氣球,兩三名地勤人員就可以保證氣球的升空與回收。

（2）順風(fēng)向布置

系留系統(tǒng)可以圍繞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)，無論如何旋轉(zhuǎn)，氣球如何運(yùn)動(dòng)，都要保證系留纜繩和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的方向保持一致，稱為順風(fēng)向布置；系留氣球在系留狀態(tài)時(shí)，同樣保證順風(fēng)系留。這樣可有效降低作用在球體上的載荷，同時(shí)也降低作用在整個(gè)系統(tǒng)上的載荷，從而提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。另外，系留氣球平臺(tái)在空中工作時(shí)，順風(fēng)向布置也可有效減少系留纜繩的磨損。

（3）快速布置

考慮到系留氣球系統(tǒng)用于應(yīng)急通信的特殊性，其設(shè)計(jì)必須具有快速布置的能力。對(duì)于中小型系留氣球的系留系統(tǒng)而言，采用車載的方法可保證其快速機(jī)動(dòng)，根據(jù)任務(wù)的需要可通過道路運(yùn)輸將其迅速布置到預(yù)定的位置。

2 系留系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

系留氣球的系留系統(tǒng)主要包括空中系留系統(tǒng)和地面錨泊系統(tǒng)，空中系留系統(tǒng)主要由系留纜繩、旋轉(zhuǎn)鉸鏈、系留拉索、系留拉手等組成，地面錨泊系統(tǒng)主要由一套絞車系統(tǒng)、系留塔、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成。

2.1 空中系留系統(tǒng)

2.1.1 系留纜繩

系留氣球通過系留纜繩與地面系統(tǒng)進(jìn)行連接，系留纜繩主要用于系留氣球的空中系留，是氣球升空與回收不可缺少的器件，其自身具有承受系留氣球的載荷、傳輸電力信號(hào)、預(yù)防雷擊等功能；其設(shè)計(jì)材料必須具有單位重量輕、柔軟性好、可反復(fù)的收放和彎曲等特點(diǎn)。系留纜繩作為保證系留氣球系統(tǒng)在高空中安全穩(wěn)定可靠工作的牽引線,決定了氣球的升空高度以及空中的穩(wěn)定性，被視作系留氣球平臺(tái)的“生命線”。系留纜繩從里到外分別是導(dǎo)線、光纖、Kevl ar纖維、金屬編織套、橡膠保護(hù)套，并根據(jù)其作用選擇合適的材料。

2.1.2 旋轉(zhuǎn)鉸鏈

旋轉(zhuǎn)鉸鏈的主要作用是連接系留纜繩和系留拉索。系留氣球在空中工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉸鏈不僅要承受系留氣球的拉力載荷，又要傳輸光電信號(hào)，同時(shí)還必須有泄雷等功能。

2.1.3 拉索和拉索接頭

拉索是由不銹鋼絲繩、棉繩和Kevl er 強(qiáng)力繩等制作而成的，其設(shè)計(jì)必須滿足在一定的強(qiáng)度。使用過程中，應(yīng)根據(jù)所需要拉索的載荷，選用不同的拉索。拉索要有拉伸強(qiáng)度高、自身重量輕、延伸率低、抗老化腐蝕等特點(diǎn)。各個(gè)拉索之間由拉索接頭連接到一起，拉索接頭是單耳和雙耳通過銷釘連接到一起，使用時(shí)必須校驗(yàn)并且滿足一定的強(qiáng)度。

2.1.4 系留抓手

系留抓手主要分布在系留氣球的兩側(cè)，與球體相連，主要作用是將從拉索處傳遞過來的載荷平均分配到球體上。系留抓手的受力方向應(yīng)基本與球體相切。

2.2 地面錨泊系統(tǒng)

2.2.1 絞車系統(tǒng)

絞車系統(tǒng)的主要作用是將系留氣球升至預(yù)定的高度，并負(fù)責(zé)回收系留氣球，在氣球飛行過程中負(fù)責(zé)調(diào)整氣球的高度，保證氣球的穩(wěn)定。其主要由動(dòng)力裝置、儲(chǔ)纜筒、排纜機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、絞盤等組成。

（1）動(dòng)力裝置

絞車的動(dòng)力裝置通常根據(jù)絞車系統(tǒng)的使用環(huán)境條來確定其類型，一般情況下采用電動(dòng)或者液壓馬達(dá)。

（2）儲(chǔ)纜筒

儲(chǔ)纜筒主要用于儲(chǔ)放纜繩以及系留氣球升空與回收時(shí)排放系留纜繩。

（3）排纜機(jī)構(gòu)

排纜機(jī)構(gòu)即系留纜繩的排列機(jī)構(gòu)，主要用于將系留纜繩均勻、整齊地排列在儲(chǔ)纜筒上。常見的排纜機(jī)構(gòu)主要是雙螺旋或者雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)。排纜機(jī)構(gòu)通過儲(chǔ)纜筒驅(qū)動(dòng)，其排纜速度與儲(chǔ)纜筒的速度保持一定的比例。

（4）導(dǎo)向裝置

導(dǎo)向裝置主要用于系留氣球和絞車系統(tǒng)之間纜繩的導(dǎo)向，通常采用滑輪結(jié)構(gòu)。

（5）絞盤

絞盤位于導(dǎo)向裝置與絞車系統(tǒng)之間，用于釋放系留纜繩的張力，一般采用單筒、雙筒或三筒結(jié)構(gòu)。

2.2.2 系留塔

系留塔主要用于系留氣球的系留，系留氣球升空工作時(shí)，系留塔負(fù)責(zé)系留系統(tǒng)的固定。并承受系留氣球系留時(shí)的載荷。在系留塔上有工作梯，上面有工作平臺(tái)和護(hù)欄，便于地勤人員到達(dá)系留塔頂，對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行操作維護(hù)等工作。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主要作用是保證系留氣球系留系統(tǒng)的順風(fēng)向布置，整個(gè)系留系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上布置有系留塔、絞車系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等。

3 系留系統(tǒng)的使用程序

系留氣球升空前應(yīng)進(jìn)行檢查，確保系留系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，回收后也應(yīng)進(jìn)行檢查，便于對(duì)系留氣球進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。回收過程實(shí)質(zhì)上是升空的逆過程，這里給出系留氣球系統(tǒng)升空時(shí)的操作程序，假設(shè)系留系統(tǒng)已經(jīng)過飛行前的檢查 ，并且一切正常。

（1）通過車載方式調(diào)整整個(gè)系留系統(tǒng)至合適的升空地點(diǎn)和方向，做好升空準(zhǔn)備。

（2）操作地面絞車系統(tǒng)，適當(dāng)降低氣球的高度，確保機(jī)械索具處于松弛狀態(tài)。

（3）解開機(jī)械索具。

（4）檢查系留機(jī)械索具、系留纜繩等，確保無打結(jié)或纏繞。

（5）操作地面絞車系統(tǒng)，調(diào)整氣球的空中姿態(tài) ，使其處于升空前的準(zhǔn)備狀態(tài)。

（6）釋放機(jī)械鎖具。

（7）操作地面絞車系統(tǒng)，使氣球開始緩緩升空 ，并保持氣球穩(wěn)定 ，一般設(shè)置為迎角0度（誤差不超過3度），滾轉(zhuǎn)0度（誤差不超過3度），直至系留纜繩承受氣球的全部拉力。

（8）從絞車系統(tǒng)上解下機(jī)械索具。

（9）操作系留纜繩的絞盤，將氣球升至預(yù)定的高度。

（10）進(jìn)入空中系留程序。

系留氣球平臺(tái)在空中定點(diǎn)系留開始工作時(shí)，系留系統(tǒng)的主要作用是調(diào)整氣球的高度。

4 結(jié)束語

系留氣球的系留系統(tǒng)是系留氣球平臺(tái)的重要組成部分，對(duì)其安全性和可靠性的要求非常高，其設(shè)計(jì)必須充分考慮系留氣球的總體設(shè)計(jì)以及相關(guān)使用模式技術(shù)的研究，提高系統(tǒng)的布置速度和使用效率。本文設(shè)計(jì)的系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，操作維護(hù)簡(jiǎn)便，能可靠地傳輸光電信號(hào)，保證系留氣球安全穩(wěn)定可靠的系泊在預(yù)定的高空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的系留系統(tǒng)，值得推廣使用。

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