系留气球平台及其可靠性技术研究探索

钱洁，刘志高，皇甫流成，彭伟

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.中国人民解放军驻三十八所军事代表室，安徽 合肥 230088）

0 引言

浮空器（包括了系留气球和飞艇）的研制，当下越来越成为飞机和卫星不可替代的一种全新概念的空中平台及飞行器，在军事和民用方面都具有广泛的应用前景，关于浮空器的预研工作国内外已经广泛展开，但相关成果鲜有报道。到目前为止，对于浮空器方面的研究，特别是系留气球方面的研究多涉足于其空气动力学、气动结构、测控、软件、通讯、球体结构和防雷设计等方面的分析与研究，对系留气球平台可靠性技术研究方面的论文或内容，国内、外绝少涉及，成为该领域的一个薄弱点，这也是本文选择以此作为切入点的原因所在。

针对系留气球平台开展可靠性技术的研究，对浮空器系留气球平台的稳步发展，起着相当关键的作用。它与地面设备和飞机、卫星等的要求差别较大，有其独特之处。对其研究，为浮空器留气球平台的研制奠定基础。

1 系留气球平台

系留气球是一种气囊内的浮升气体获得浮力，并用缆索栓系固定的浮空器。借助于系留缆索、气动升力和剩余浮力，可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留。作为空中平台，适合搭载各种通讯、干扰、侦察和探测等电子设备。

根据需要，系留气球的体积可从几百立方米到几万立方米，升空高度从几十米到四、五千米。按其规模，可分为大型阵地式和小型机动式两大类。大型阵地式系留气球体积一般在数千立方米以上，升空高度可达4 000 m以上，载重可达数吨，其特点是升空高度高、载重量大、探测距离远，适合搭载雷达等探测设备，主要用于对重点地区的长期预警保卫；小型系留气球平台体积一般在两、三千立方米以下，升空高度也在两、三千米以内，其主要特点是机动灵活、操作简单、使用方便，适合搭载通信、侦察、干扰等电子设备，用途非常广泛。

1.1 国外研究现状

进入20世纪60年代，随着氦气开发技术在世界范围内的普遍应用，系留气球的安全性能得以大幅度提高。与此同时，随着现代计算机技术、微电子技术、高分子纤维材料、航空技术与现代控制技术的发展，使得系留气球进入了实用化、装备化的新阶段。从越战开始，美国在南越进行了相关试验，用于证明系留气球平台作为VHF/FM通信载体的可行性。随后，美国WestingHouse Electric公司成立了专门从事系留气球研究的公司，也就是现今系留气球界大名鼎鼎的TCOM公司。在美国的带动下，系留气球技术得以迅速发展。目前阵地式系留气球在国际上应用较广，美国、科威特、沙特和印度等国家和地区均布置了大型阵地式系留气球系统。在系留气球领域，主要有美国的机动式侦察监视系统（RAID）、系留式浮空器雷达系统（TARS）、联合对地攻击巡航导弹防御空中联网传感器系统（JLENS）等[3]。

1.2 国内研究现状

1989年国内有30多家单位参与了系留气球平台的综合论证工作。此后，高能所开展了系留气球关键技术的预先研究，主要研究内容包括：气球的结构应力分析、球体材料关键技术的研究与试验、多功能光电复合系缆的预先研究和系统整体稳定性研究。1992-1996年，高能所作为总体单位承担了小型实用型系留气球系统的研制任务：气球体积约350 m3，工作高度1 000 m，有效载荷45 kg。

90年代末，随着任务需求的变化，同时也伴随着相关技术的积累沉淀，使得我国自行研制中、大型系留气球平台成为了可能。国内多家研究机构相继开展了相关研究，国内现有专业从事浮空器研发的单位主要有：中科院大气物理研究所及高能物理所、中国电子科技集团公司第38研究所、中航二集团605所、航天科工068基地近地飞行器研发中心、航天五院、山东平流层科技有限公司和北航、西工大、清华、上海交大、国防科大、中国科技大学等一些高等院校。

1.3 国内系留气球系统的代表性项目

我国目前公布的具有代表性的系留气球系统主要包括：

a）350、400、BWQ450车载机动式系留系统

除了前文提及的高能所制作的350和400 m3系留气球系统外，2004年，中电38所研制了BWQ 450车载机动式系留系统。该系统球体体积为450 m3，任务载重为160 kg（高度400 m）或100 kg（高度800 m时），其特点是机动灵活，使用、维护简便，如图1所示。

图1 450车载机动式系留系统

b）系留气球搭载宽带无线接入系统

系留气球搭载宽带无线接入系统球体体积为1 200 m3，升空高度可达1 000 m，通信设备载荷80 kg。它的主要用途是利用系留气球平台装载宽带无线通信设备，扩大通讯覆盖范围，解决 “山中通，动中通”的通讯问题。典型的应用案例有诸如中电38所研制机动式系留系统的宽带无线接入系统等。

c）机动式系留气球系统

机动式系留气球系统主要用于预警探测、通信中继、电子干扰、电子对抗和图象监测等方面。球体体积在1 200～4 500 m3，最大升空高度1 000 m左右，任务载重120～200 kg，典型的应用案例有如图2所示的中电38所为上海世博会研制的机动式系留气球监测系统，能够同时搭载预警雷达、图像监控、气象、环保和应急通信等多种设备，完成对低空、超低空目标和水面船只的预警探测，保障上海世博会期间指定区域的公共安全。

图2 上海世博会系留气球监测系统

2 系留气球的系统构成和技术分析

2.1 系留气球平台的构成

系留气球一般包含系留气球平台、地面保障系统和任务载荷3大部分，本文重点针对系留气球平台进行研究。

系留气球平台按照结构划分包含气球分系统、系留缆绳分系统和地面锚泊分系统3部分。气球分系统包含球体结构（主气囊、副气囊、尾翼、整流罩、头锥、索具和设备安装结构等）、球上电源设备、球上测控设备、球上通信设备、压力调节设备、防雷电设备和适航设备等；系留缆绳分系统包含光电复合缆绳、连接器和系留部件等；地面锚泊分系统包含地面锚泊车、缆绳收放装置、地面操控装置、地面电源设备、地面测控设备和地面通信设备等[2]。

2.2 已解决的主要技术问题

经过多年的研究和技术积累，目前国内已解决了多项系留气球平台设计生产中的关键技术问题。主要包括：

1）浮空平台的总体设计技术；

2）浮空平台的气动分析和气动布局；

3）压力调节系统的设计与生产；

4）软式结构及软—硬件连接设计技术；

5）浮空平台强度计算与分析方法；

6）浮空平台的使用维护技术；

7）浮空平台的通信与测控技术；

8）系留气球的地面系留及保障系统设计与生产；

9）系留气球的能源传输技术。

上述关键技术问题的解决，为我国自主开发研制系留气球等浮空平台产品提供了技术上的保障。

3 系留气球平台可靠性模型的建立

分析系留气球平台的使命任务，开展系留气球平台的功能分析，建立系留气球平台的基本和任务可靠性模型：不论哪类的平台系统，按照功能划分分系统，全都包含有系留收放设施、压力调节控制、电源控制、检测控制、通信控制、系留拉锁与系留缆绳、球体和防雷等基本分系统组成单元。据此建立的典型可靠性模型[1]（展开到分机级）如下。系统的基本可靠性模型如图4所示，任务可靠性模型如图5所示。

图3 基本可靠性模型

图4 任务可靠性模型

4 系留气球平台的可靠性分配与预计

4.1 系留气球平台的可靠性分配

典型的一套系留气球平台的可靠性指标为：MTBF≥50 h，MTBCF≥168 h；任务故障判据：不能完成系统功能，或发生必须回收气球进行修理的故障。

系留气球系统的每个分系统失效率服从指数分布[1]，基本可靠性数学模型由可靠性框图模型得出，因此整个系统的总失效率为：

式（1）中：λ——系统的失效率；

λi——各分系统的失效率；

MTBF——系统的平均故障间隔时间。

可靠性指标MTBF的分配分为两部分，对电子设备采用评分分配法进行分配，根据在整个系统中4个电子系统的重要性、复杂性、环境条件和技术水平等因素，对其可靠性指标进行初步的分配；对机电结构设备采用可靠度进行统计。具体的做法如下：

按其K/LLQF01系留气球系统的可靠性指标：MTBF≥50 h，以1.5倍的系数对MTBF指标进行分配，则：

系统故障率 λ=1/MTBF=13 333（10-6h）。

4.1.1 结构设备部分的可靠性分配

a）系留拉索与缆绳

可靠度A=0.995，t=168 h（每次工作持续时间为： 7天*24=168 h）。

根据公式，故障率λ=-lnA/t=30（10-6h），则其MTBF=1/λ=33 333（h）。

b）球体和防雷

可靠度A=0.995，t=168 h（每次工作持续时间为：7天*24=168 h）。

根据公式，故障率λ=-lnA/t=30（10-6h），则其 MTBF=1/λ=33 333（h）。

c）地面系留设施（结构设备）

可靠度A=0.99，t=168 h（每次工作持续时间为： 7天*24=168 h）。

根据公式，故障率λ=-lnA/t=60（10-6h），则其 MTBF=1/λ=16 667（h）；λ（结构设备）=30+30+60=120（10-6h）；λ（电子设备）=λ（总）-λ（机电结构设备）=13 213（10-6h）。

4.1.2 电子设备的可靠性分配

对电子设备的几个分系统，采用评分分配法进行可靠性分配，表1中地面系留设施为其电子设备部分。按可靠性分配公式：

得分配如表1所示。经调整计算，最后的各分系统分配结果见表2。

4.2 系留气球平台的可靠性预计

采用元器件应力分析预计法及可靠度预计进行两轮的可靠性分析工作，对分系统基本可靠性与任务可靠性进行详细的预计，可靠性预计表见表2。

5 结束语

系留气球平台可以在时间和空间上填补飞机和卫星的空白，非常适合搭载各类电子任务设备，在军事和民用方面都具有广泛的应用前景，目前世界各国都在竞相开发和研制。系留气球平台作为我国新兴的一种装备，其使用范围正在不断被推广。由于其属于航空产品范畴，对可靠性、维修性、安全性和保障性的要求也越来越受到用户的重视。进行系留气球产品的可靠性技术研究也是很有意义的工作。

表1 电子设备可靠性分配表

表2 可靠性分配与预计对照表

鉴于国内外基本没有公开的系留气球平台可靠性技术研究方法和应用实例，本文以国内相关标准和教材为基础，结合国内系留气球平台研制的一些经验，对系留气球平台的系统构成和技术进行分析；分析系留气球平台的使命任务，建立典型的系留气球平台的基本和任务可靠性模型；针对系留气球平台的可靠性指标要求，开展系留气球平台可靠性分配和可靠性预计。虽然本文的研究取得了一些成果，但由于时间和本人水平的限制，还有许多待完善和改进之处，使其更具有实用价值。

[1]曾声奎，王自为.可靠性设计与分析 [M].北京：国防工业出版社，2011.

[2]赵攀峰，唐逊，陈昌胜.系留气球载雷达系统 [J].航空科学技术，2008，（2）： 12-16.

[3]潘峰，王林强，袁飞.美国系留气球载预警系统的发展现状及趋势分析 [J].船舶电子对抗，2010，33（5）： 32-35.