系留氣球雷電防護設計

摘 要：隨著系留氣球設計技術的逐漸成熟，出于安全性、可靠性考慮，系留氣球防雷設計越來越受到重視。根據國內系列系留氣球的設計經驗，對系留氣球的常規防雷設計方法進行了總結，以作為防雷設計參考。

關鍵詞：系留氣球；防雷；系留纜繩；地面設施

1 概述

系留氣球作為一種浮空器，通過氣囊內部充灌升力氣體（氫氣或氦氣），使得空氣浮力（靜升力）超過自身重力，從而升空工作，升空以后被系留纜繩約束在固定區域。一般工作在海拔4000米以下的空中，高空中氣象環境比較復雜，系留氣球系統停留在高空，遇到惡劣天氣，遭受雷擊的概率比較高。可靠的系留氣球系統防雷保護是系統安全運行的前提。

2 系留氣球防雷要求

2.1 常規系留氣球組成

系留氣球一般由升空部分（球體）、系留纜繩和地面系留設施組成。

升空工作時，球體通過系留纜繩與地面系留設施連接，定點停留在空中某一區域內。（如圖1）

2.2 系留氣球防雷要求

系留氣球的防雷設計是一個綜合性工程。對于系留氣球，雷電防護設計應考慮4個部分：（1）雷電附著防護設計；（2）雷電直接效應防護設計；（3）雷電間接效應防護設計；（4）地面設備及人員安全防護設計。

文章主要探討系留氣球的雷電附著防護設計、雷電直接效應防護和地面設備及人員安全防護設計，雷電間接效應防護主要通過對設備和接口進行二次防雷設計實現。

參照系留氣球的組成部分，整套系統的防雷需要從3個部分考慮：球體、系留纜繩、地面系留設施。

2.3 系留氣球防雷設計依據

系留氣球雷電防護沒有專用的參照標準。因同時具備升空設備和地面設備，在進行防雷設計時，可以借鑒飛機雷電防護和地面建筑物雷電防護相關標準，常用的主要有：

（1）國標：GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》；（2）國軍標：GJB 3567-1999《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》；（3）IEC關于地面建筑雷電防護設計的相關標準。

3 球體防雷設計

3.1 球體在空中年遭雷擊次數估算

3.1.1 估算方法

球體在空中遭雷擊的次數n主要由環境因素、雷擊有效面積和時間系數決定。可通過經驗公式估算：

n=N·K·S （1）

式中：N為環境因素；K為時間系數；S為雷擊有效面積。

3.1.2 環境因素

環境因素N反映的是系留氣球所在地雷電發生頻率。這一因素通常用該地區單位面積上年平均遭雷擊次數來表示。對在空中的飛行器來說，雷擊次數n是由一年中“云-地”雷電雷擊總次數n云地、云間和云內雷電的雷擊總次數n云云累加得到的。

由于系留氣球工作高度一般在4000米以下，所以通常只考慮“云-地”雷電雷擊總次數n云地。n云地與系留氣球工作所在地的雷擊天數D天或雷擊時數D時有關，兩者的關系式為D時=（2～3）·D天。D天和n云地之間的對應關系見表1。

表1 一年中“云-地”雷電雷擊總次數與雷擊天數對應關系

3.1.3 時間系數

時間系數K表示系留氣球的使用率，計算公式為：

K=T滯空/T年 （2）

式中：T滯空為一年內氣球滯留在空中的時間；T年為一年的總時間

3.1.4 雷擊有效面積

雷擊有效面積S取決于物體的幾何和結構特征。雷擊有效面積可通過經驗公式計算：

S=100·L2 （3）

式中：L為系留氣球的最大尺寸，一般指系留氣球的總長。

3.2 防雷形式的選擇

系留氣球雖然也是一種飛行器，但與一般飛機完全不同。一般飛機都是全金屬外殼，且具備大量金屬骨架，具備理想的雷電防護條件，只要通過一些不太復雜的設計，就可以實現雷電流的泄放。當飛機遭遇雷電時，雷電流從一個尖端進入后，能快速從另一個尖端泄放，其金屬骨架和外殼不但能夠承受強大雷電流沖擊，還能起到屏蔽作用，保護飛機內部的設備不受雷電流的電磁感應干擾。而系留氣球的球體一般采用纖維材料，不具備導電性，防雷設計時就不能沿用飛機防雷的設計方法。

當系留氣球的尺寸較小時，可以考慮采用避雷針的方式進行雷電防護，但是目前國內外具備長時間留空能力的系留氣球產品中，都是體積和尺寸偏大，采用避雷針的防護方式很難對整個球體覆蓋完全，所以對常規系留氣球進行雷電防護設計時，要綜合考慮球體尺寸、材料與防雷裝置的布置安裝。參照建筑物的防雷設計原理，選擇籠式避雷網對整個球體進行雷電保護比較合適。采用籠式避雷網主要優點有：

（1）雷電防護范圍可以對系留氣球產品全面覆蓋。（2）可以避免球體受到閃電側擊，雷擊“繞擊”的危險。采用避雷針、消雷器等方式不具有這種優點。（3）可以起到良好的屏蔽作用。籠式避雷網雖然難以完全隔離閃電的脈沖電磁場的侵入，但是能夠非常有效地削弱雷電磁場，對球載儀器設備起到了保護作用。

3.3 防雷設計

3.3.1 避雷網的布置

籠式避雷網就是在系留氣球外表設計一層金屬網架。由于氣球材料一般不抗雷電，雷電導致避雷網產生過熱易損壞球皮，此外避雷網熔化物可能導致避雷網與電荷通路的基座接觸從而損壞球皮，所以避雷網不能直接安裝在球皮表面，需使用絕緣支座將避雷網支離球皮表面適當距離，距離大小根據球體大小和防雷電強度進行選擇。這樣避雷網可以使來自氣球上方的雷電先行直接附著，從而保護暴露在球皮表面的金屬件免于雷電直接附著。

避雷網結構主要由支座和避雷索組成，球體上布置要求是能使整個球體處于避雷網的保護之中。因為系留點處匯流環是一個現成的避雷裝置，所以避雷網的分布主要考慮球體上部。用于支撐避雷網的支座數目根據球體尺寸和其表面張力大小確定。系留氣球防雷設計典型布置如圖2所示。

3.3.2 避雷索的設計

（1）材料選擇

避雷索材料選擇要求：避雷索由于雷電電流通過而產生的過熱與單位能量 i2dt（J/？贅）成比例，過熱不應使其溫度高于極限溫度，避雷索不會由于過熱導致其熔化、軟化或失去機械硬度。

銅、鋼、不銹鋼等材料制成的金屬索都可用做避雷索，選取時還需綜合考慮其外部使用環境和機械性能。建議使用不銹鋼或帶抗腐蝕涂層的鋼作為避雷索。

（2）避雷索直徑的計算

將導電過程視為絕緣的，避雷索的橫截面面積必須滿足下式要求：

（4）

式中，？籽為電阻率，單位為？贅·mm2/m； i2dt為單位能量，單位為J/？贅；a為密度，單位為g/cm3；c為比熱容，單位為J/g·K；△T為允許的過熱度，單位為K。

4 系留纜繩防雷設計

4.1 系留纜繩結構形式

系留纜繩是系固氣球和向球載設備供電的關鍵設備，對拉力、重量、防雷等方面有很高的要求。主要功能有：承受系留載荷、電力傳輸、防雷擊保護（提供雷電泄放通路）；還可以內含光纖提供通信通道。

4.2 系留纜繩年雷擊次數估算

計算雷擊纜繩次數時也只需考慮“云-地”雷擊。參照公式（1），環境因素N、時間因素K的計算選擇與球體相同，為了計算雷擊纜繩的有效面積S索，假設雷擊纜繩集中在邊長為A和B的長方形面積上。

S索=A·B （5）

式中，邊長A由纜繩長度和氣球工作高度決定；邊長B等于氣球最大半徑的100倍。

代入公式（1），就可估算出系留纜繩年雷擊次數。

4.3 系留纜繩泄雷設計

一般系留纜繩都將雷電泄放線設計成網狀結構，其截面積大小根據防雷要求、雷電泄放線材料特性和系留纜繩允許過熱可以計算得到。

雷擊系留纜繩時，由于電流經過雷電泄放線會引起過熱，雷擊處雷電泄放線將被侵蝕，過熱取決于單位能量：

（6）

式中，im為雷電電流；tm為電流持續時間。

參照雷電泄放線材料特性和系留纜繩允許過熱，即可計算出最小截面積要求。

5 地面系留設施防雷設計

地面設施防雷設計相對比較簡單，就是需要做好接地設施，主要注意事項如下：

（1）建立良好的接地系統，使接地電阻盡量小，地電位衰減盡量平坦。

（2）雷電泄放線必須經電纜絞盤良好接地，中間不允許有任何斷裂和縫隙。

（3）地面工作艙必須是金屬外殼，并良好接地，形成法拉第屏蔽，使艙內電位為零，保證工作人員安全。

（4）雷雨天氣工作人員必須呆在工作艙內。如必須走出艙外，則應注意雷擊時跨步電壓的傷害，尤其不允許站在地面上而手卻接觸到車上已接地的金屬體，必要時可在艙外鋪設金屬板形成等電位通道。

6 結束語

系留氣球的雷電防護系統用來接收雷電并通過系留纜繩的泄雷網將其傳遞到地面系留設施的接地回路中，以保證球體和纜繩結構免受損傷，保證球上設備和地面設備的正常工作。此外，它還起到保護氣球系統免受靜電影響的作用。

根據上述設計思路，對實際情況加以分析、計算，基本上可以為所設計的系留氣球設計出滿足使用要求的雷電防護系統。

同時，由于雷電具有很大的不確定性，從安全性考慮，應盡量避免設備遭受雷擊，在系留氣球的使用過程中，可以通過氣象預報避免在雷暴天氣升空、地面采用避雷塔保護等措施，降低設備遭受雷擊概率。

參考文獻

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[2]國防科學技術工業委員會.GJB3567-1999.軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法[S].北京：航空工業部第三○一研究所出版社，1999.

[3]國際電工委員會IEC/TC81防雷技術分會.IEC61024-1-1990.建筑物的雷電防護[S].1990.

[4]胡俊霞，李書嶺，王紅興.籠式避雷網的防雷優點[J].河南氣象，2002（2）：33.

作者簡介：毛偉文，男，畢業于南京航空航天大學飛行器設計專業，現為中國電子科技集團公司第三十八研究所高級工程師，主要研究方向為浮空器總體設計。