系留气球装备环境工程浅析

系留气球装备环境工程浅析

李美

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 质量部，安徽 合肥 230088)

摘要：主要探讨系留气球等浮空器的环境适应性设计、试验和评价；结合环境适应性工程思想，结合实际工作经验，阐述了浮空器装备全寿命期环境分析、适应性设计以及环境试验与评价等方面的工作要求。相比于飞机等短时飞行的航空器而言，对于留空时间长达数天乃至数十天的系留气球，在设计和验证过程中更应该关注其环境适应性要求。

关键词：系留气球装备；环境适应性；设计；验证

收稿日期：2014-11-17

作者简介：李美(1978-)，男，安徽合肥人，工程师，从事质量管理方面的研究。

中图分类号：V214.5文献标识码：A

0引言

由于具有长时间、大范围、可定点等优点，系留气球平台已发展为车载、舰载、阵地等多种形式的系留气球平台，并大量应用于军、民领域。对于航空飞行器而言，环境因素依然是造成飞行事故的重要原因[1]。而相比于飞机等短时飞行的航空器而言，留空时间长达数天乃至数十天的系留气球，环境适应性更是其装备研制的重点和难点。

环境适应性是装备的一个固有质量特性，是靠设计(试验)和制造纳入、靠试验和管理来保证的，目前装备的环境适应性管理正从单纯的环境试验小概念向环境工程大概念转变[2]。美国MIL-STD-810标准从原来的单纯试验方法标准变为包括环境工程工作管理和实验室试验方法两部分的混合型标准，明确提出环境工程工作思路(MIL-STD-810F 2001年)。北约NATO 4370号协议附件1《国防装备环境指南》(1998年)明确规定装备寿命期各个阶段环境工程任务和剪裁的指导。种种迹象表明，装备的环境适应性管理，不能局限于传统的试验，而要从立项论证环境适应性指标开始抓设计，抓全寿命管理。

本文结合环境适应性工程思想，结合实际工作经验，描述了浮空器装备全寿命期环境分析、适应性设计以及环境试验与评价等方面的工作要求。

1全寿命期剖面状态环境分析

系留气球全寿命期剖面状态环境分析是一个复杂的系统工程。系留气球自完成研制后主要经历装备运输、存储、充气展开、滞空执行任务、收气回收等多个寿命期剖面状态。应结合环境应力产生的机理，分析确定各个状态每一事件可能遇到的环境应力，编制与寿命期每一事件有关的自然环境及诱发环境清单。对系留气球环境适应性影响的因素众多，包括存储运输环境、使用阵地地表环境、放飞区大气环境等等。

对系留气球影响的环境因素主要包括：温度、湿度、盐雾、霉菌和太阳辐射等。在高低温作用下，系留气球软结构通常会发生强度变化及老化。霉菌对系留气球影响，主要表现在对材料的直接或间接侵蚀。系留气球暴露于腐蚀性大气环境中，盐雾会对软硬结构产生腐蚀，导致其老化或性能下降，同时造成绝缘及金属的腐蚀，导致设备电路损坏。湿度会导致表面覆盖层的化学破坏，产生腐蚀膜，同时对电气设备也有影响。太阳辐射对系留气球内部温度热效应，同时加快材料的老化。

特别要指出的是，即使在系留气球设计较为完善的今天，气象环境因素仍然是造成装备事故的重要原因之一，是环境分析的重点。系留气球主要工作在离地高度4000米以下的大气对流层。对流层大气环境主要特点在于气温随高度的增加而降低(海拔每上升100米，气温降低0.6℃)，大气对流运动显著，天气现象复杂多样，云、雨、雪等天气现象都发生在对流层[3]。各种天气现象，例如云、雨、雾、雪、雹、霾、雷暴、闪电、结冰等，都能直接影响系留气球的安全，是环境适应性需要重点考虑的因素。

风场对系留气球影响主要在于对系留气球性能、载荷、结构和强度方面产生影响。从对流层开始至平流层底层，风场的变化随着季节、经纬度的变化，对应每个高度层的风速、风向都发生变化。环境分析除了要考虑最大常值风外，风速风向变化诸如大气湍流、风切变也不应忽视。

雷电对系留气球的危害是多方面的。雷电产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，可毁坏变压器、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，二次放电(反击)的火花也可能引起火灾或爆炸；绝缘的损坏，如高压窜入低压，可造成严重触电事故；巨大的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故；当几十至上千安的强大电流通过导体时，在极短的时间内将转换成大量热能，产生的高温往往会酿成火灾[4]。根据雷电放电的形式不同可分为云对地、云对云和云层内部放电三种形式。系留气球高度在4000m以下，在该区域内雷电的云对地放电比例大些。因而雷电多发区的雷电防护也是环境分析需要考虑的。

此外，大气压力和大气密度的降低对电工电子产品的性能有一定的影响。随着气压的降低,致使电工产品的电晕(起始及消失电晕)电压减小,外绝缘电气强度也降低。随着气压的降低,空气密度也相应减小,致使散热能力下降,导致以自然对流、强迫风冷或空气自然散热为主要散热方式的产品温升增高。此外，气压降低,以自由空气为灭弧介质的开关电器产品的通断能力和电寿命受到一定的影响。

2环境适应性设计

系留气球装备设计过程中应根据环境适应性分析结果，采取环境适应性设计，以使装备达到规定的环境适应性水平。与常规装备一样，应主要考虑尽量采用成熟的环境适应性设计技术，增加一定的耐环境设计余量、选用耐环境能力强的零部件、元器件和材料，增加改善环境或减缓环境影响的措施，增加环境防护设计等手段[5]。相关工程设计也可参考文献进行。这里重点介绍系留气球环境适应性设计所需考虑的特异之处。

由于系留气球设计的特点，囊体材料选用需考虑轻面密度、高强度、高阻氦、柔韧性以及可热和性等因素。同时，由于囊体材料在气球地面系留及升空工作阶段直接、长时承受大气环境应力，这对材料在温度、湿度、紫外线等自然损耗情况下的抵抗性也提出了严格的要求。现代浮空器用囊体膜材，欧美国家大都选择了高科技多层复合柔软材料。这些复合材料主要有两种结构形式：一种是多膜结构层压式，这种制造方法是将各种功能膜材按规则一层一层的铺设，然后进行加热加压，经过一定时间层压成型；另一种是涂层复合式，这种制造方法是将功能溶液涂附在基层上，然后烘干成型。现代浮空器用囊体材料，一般都包含承重织物基材、耐候层、气密层、粘接层等，如图1所示。材料的最终性质可以通过合理的选择各层材料，并经特殊工艺处理而达到完善。其中，抗UV聚酯涂层(Mylar膜 )或抗紫外线聚氟乙烯PVF薄膜(商品名Tedlar)可起到耐候和阻氦作用，大幅提升囊体材料的使用寿命[6-7]。

图1　多层复合材料示意图

雷电附着防护设计的思路是在球皮表面布置避雷索，使雷电附着在避雷索上，然后经引下电缆的导雷层导入地下，而不会直接附着在球皮上或球皮上暴露的设备上。不能直接将避雷索配置在气球表面，因为气球材料可能会由于通过雷电的避雷索过热熔化。该避雷索通过固定在球皮上的防雷杆等绝缘支撑，使避雷索与球皮距离一定高度，保护球皮不被来自气球上方的雷电先导直接附着，并保护其上防撞灯、风机、阀门等暴露在球皮表面的金属件免于雷电直接附着[8]，如图2所示。

图2　美国TCOM公司研制的71M系留气球防雷设计

在完成环境适应性设计方案后，应考虑系留气球的每一种工作模式，对装备的环境适应进行预计。应根据系留气球自身工作特性工作情况确定产品所处的最恶劣环境(环境类型及量值)，同时利用材料、元器件及零部件的手册提供的有关数据确定其的定量耐环境极限能力，确定系留气球能否承受恶劣环境作用以及耐受最恶劣环境作用的余量。对于系留气球抗风、抗雨等要求，相关适应性设计较难通过环境试验加以测试验证，可采用模型风洞试验结合动力学仿真的方法加以环境适应性预计[9]，如图3所示。

图3　系留气球抗风能力环境适应性可视化仿真系统

3环境试验与评价

环境试验是系留气球环境工程的重要环节，直接关系到能否对系留气球进行环境适应性进行客观的评价。应根据系留气球装备寿命期环境剖面，参照有关标准，制定试验项目和试验条件。浮空器装备分为系统级、分系统级、子系统级、整件级。由于系留气球系统体积巨大，当系统级、分系统级提供给订购方的装备不能以整体形式进行试验尤其是实验室试验时，可以分别对其子系统或整件进行试验。具体试验方法和试验条件可参考相关环境试验标准。

值得注意的是，系留气球地面联试后首飞前，应根据环境试验与评价总计划，制定一个具体的安全性环境试验计划，对涉及飞行安全的产品选择关键(敏感)的环境因素(诸如囊体环境条件下的力学性能、防雷等)安排相应的环境试验，以保证首飞安全[9]。

由于系留气球装备使用周期长达数年，环境应力条件复杂，实验室环境试验后，可进一步进行使用环境试验，确定装备使用过程中自然环境和诱发环境对其影响，如自然风环境、淋雨环境等，为改进环境适应性设计及评价环境适应性提供信息。

在自然环境、实验室环境以及使用环境试验过程后，应收集各种试验结果和有关信息及相应的记录数据、有关故障和问题的信息，相关环境信息管理系统可与故障报告、分析和纠正措施系统(FRACAS)结合运行。通过环境工程，掌握全寿命剖面状态下环境影响数据及规律，对整个系留气球装备或其某些系统的环境适应性做出全面评价。

4结语

本文通过对系留气球全寿命周期内所遇到环境因素及其影响分析，确定了系留气球会受到温度、霉菌、盐雾、湿度、太阳辐射、风、雷电、大气压力和大气密度等主要因素的影响。根据全寿命期剖面环境分析结果，重点介绍囊体材料选用、球体防雷等环境适应性设计内容，最后就系留气球使用环境的特点和相关试验标准对相关环境试验与评价要求做出了定性要求。

参考文献

[1] 沙正平.飞机设计手册[M].北京:航空工业出版社,2005:27-38.

[2] 肖业伦，金长江.大气扰动中的飞行原理[M].北京:国防工业出版社,1993:77-80.

[3] 严家伟.大气环境分析[J].浮空器研究,2013(4):11-13.

[4] 赵海.雷电危害的机理分析与防护措施[J].地震地磁观测与研究,2005，26(2):110-114.

[5] 孙帆.系留气球环境适应性研究[J].航空标准化与质量,2012(2):57-64.

[6] 李俊华，聂建斌.多层接结织物在复合材料中的研究[J].山东纺织科技,2008(3):51-53.

[7] 吉勒特.飞艇技术[M].王生，译.北京:科学出版社,2008:67-88.

[8] 倪青松，荣海春，王少峰.系留气球雷电直接效应防护设计[J].西安航空学院学报,2013(1):6-9.

[9] S.P.Jones，L.D.Schroeder.Nonlinear Dynamic Simulation Of a Ethered Aerostat:A Fidelity Study[R].AIAA-99-4325.

[责任编辑、校对：东艳]

On Captive Balloon Equipment Environmental Engineering

LIMei

(Quality Department, No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Abstract：The paper mainly discusses the environmental suitability design, test, and evaluation of aerostatics such as captive balloon, and describes working requirements in aspects like environmental analysis, suitability design, and environmental test and evaluation in their whole life cycles. Compared with aerostatics that fly for short time such as plane, captive balloon has to stay in air for several days and even a dozen of days, so more attention should be paid to their environmental suitability in the process of design and verification.

Key words：captive balloon; environmental suitability; design; verification