大红灯笼：添彩国庆

◎ 北京空间机电研究所 李 莉

2019年10月1日上午，中华人民共和国成立70周年庆祝大会在北京天安门广场隆重举行，由北京空间机电研究所承制的70盏大型充气灯笼稳稳地飘立于天安门广场上空，为整个庆典增添亮点和喜庆。

灯笼的外形设计参照了天安门城楼的红庆灯，直径5m，高度4.2m，庄严大气；云台采用金镶红设计，与宫灯整体相得益彰又不失灵动，通体流畅又充盈美感；8朵祥云下方流苏下垂，随风轻摆，尽显中华气度。

这70盏大型充气灯笼的研发和生产运用的正是北京空间机电研究所的航天器回收着陆技术。用高强度柔性材料制成的灯笼，对所用材料提出了很高的要求，外部面料具有防水、阻燃性能，内囊则采用耐压且气密性良好的高空气球复合膜制成。通过计算流体力学对流场的分析，该所研制团队为每个灯笼设计了5个系留点，包括1个灯笼下方的主系留点和4个侧向的副系留点，副系留绳的一端通过挂钩与镇铁上的系留孔连接，另一端连接在灯笼的辅助拉绳上，通过精确设计的牵拉角度确保灯笼在20多米的空中稳稳悬浮。灯笼释放用的系留绳由高科技材料制成，这种材料常用作航天器着陆用降落伞的伞绳、伞带，每根拉绳的抗拉强度可达1t，并具有防割性能，可确保灯笼在飘浮过程中的绝对安全。

10年前，庆祝中华人民共和国成立60周年庆祝大会中所使用的60盏大型充气灯笼，也是由北京空间机电研究所承制的。10年之间，同样的任务，同样的天安门广场，同样的一群航天人，面对新中国60岁到70岁的时代跨越，面对更高的呈现效果要求，北京空间机电研究所航天人是用怎样的技术创新让一盏灯笼变得愈发美轮美奂？让我们去看看吧！

外形设计更庄重大气

与新中国成立60周年庆祝大会的灯笼相比，新中国成立70周年庆祝大会上的大红灯笼有了一些创新和提升，外形上更大气，操作上更简便可靠。

灯笼起源于汉朝，唐朝开元年间开始广为流行。红灯笼象征着阖家团圆、事业兴旺、红红火火，象征着幸福、光明、活力、圆满与富贵。

70周年庆祝大会的大型充气灯笼外形充分借鉴了天安门城楼红庆灯的外形和图案设计，在此基础上进行了放大。灯笼直径5m，高4.2m，灯身上下各有8朵金色祥云，经线方向装饰有16条金色线条，与灯身浑然一体，寓意天顺地顺、天地人和。上下云台直径均为1.5m，高分别为0.4m和0.5m，表面装饰有金色镶嵌红色线条。下云台下部连接0.6m长的金黄色流苏，整个灯笼庄严、大气。

在大红灯笼外囊的加工过程中，研制人员大量采用了航天器用降落伞的材料和加工工艺，特别对于关键部位，其缝合线迹密度要求每10cm不得少于30针，每一条缝合部位都要经过严格的质量检验，以确保灯笼的产品质量万无一失。

另外，灯笼外囊材料还做了特殊的涂层处理，一方面确保外囊的防水性能更好，另一方面还能保证阳光照射下灯笼颜色更加鲜艳、靓丽。

充放气更省时省力

作为一个直径5m、高4.2m的大型球体，灯笼内部需要充入近70m3的氦气。在充气时，需要灯笼下部的充气口尽量便于握持，以保证充气时不发生大的摆动。10年前的灯笼采用的是充气口和放气口同轴设计，即充气口和放气口共用，口直径为400mm，充气速度可以保证，但放气速度却较慢，一盏灯笼放气时间需要30min左右。为了既便于充气，又能快速放气，10年后的灯笼是一大一小两个口，充气口小、放气口大，即在直径600mm的放气口侧壁上连接直径100mm的充气口。这样，不仅充气的时候易于控制，放气的时间还缩短了一半，确保撤收工作按时迅速完成。

数据监测验证更精准

为了能够实时监测到大型充气灯笼内部的压力、温度参数，以及灯笼自身的位移、姿态变化与各系留绳的受力情况，研制人员在试验中采用了多种无线传感器进行测量。灯笼是柔性结构，内部测量设备不能对球体产生破坏，同时固定在球体上的姿态测量装置又需要有良好的刚性连接。针对这些问题，研制人员集思广益，将测量灯笼内部压力、温度的传感器安装在一个泡沫球壳内，但又让传感器露出。这样，即便传感器在灯笼内部翻滚，也可以保证既准确测量到参数，又不会对球体造成破坏。

研制人员在灯笼顶部的无线传感器安装方面也花了心思。为了将姿态测量装置固定在灯笼上，在灯笼顶部缝制了一圈扣襻，将姿态测量装置的刚性支座通过绳带连接在这圈扣襻上。当灯笼充气达到设计压力后，这圈扣襻上的绳带都均匀绷紧，将支座牢牢地固定在宫灯顶部。此外，研制人员还在同一时间下对多种无线传感器进行记录，从而获得灯笼在风力作用下的位移姿态变化、内部压力、温度、系留绳上拉力等的相互关系，为灯笼的设计完善提供更精准的依据。

释放装置更安全可控

灯笼的释放装置是负责将宫灯升空或降下的设备。10年前，灯笼释放装置的操作是一项较难控制的工作。由于灯笼的升力较大，囿于当时条件的限制，升降装置的绞盘没有设计齿轮减速锁定装置，在释放的时候，如果操作人员在前半圈和后半圈的施力方向不同，绞盘的摇把有滑脱的风险。研制人员在设计庆祝新中国成立70周年的大型充气灯笼时，针对这一潜在风险进行了改进，绞盘采用齿轮减速锁定装置，即便没有操作人员旋转摇把，灯笼的升力也不会将绞盘拉动，真正做到了灯笼的升降由操作人员随意精准控制。同时，操作人员只需要在摇把上施加升力1/4的力量就可以轻松升降灯笼，灯笼的升降过程变得更加安全、便捷。

镇铁设计更人性化

镇铁算得上大型充气灯笼的“地面装置”，每盏灯笼配置主副镇铁共计5组。主镇铁一组，重100kg，4个副系留点各配置一组镇铁，每组重达250kg。镇铁通过系留绳对灯笼起到固定作用，为大红灯笼稳稳飘立于空中发挥着“定海神铁”的重要作用。10年前，由于整个任务的周期极为紧张，在设计灯笼的镇铁时只考虑了镇铁的质量，没有全方位地考虑增大镇铁与地面的摩擦系数这一细节。10年后，研制人员在这一点下了不少工夫，通过对多种材料的选择和试验，确定了一种具有高摩擦系数的柔性摩擦材料，在专门设计的镇铁底板上铺设该种材料，使得该材料在受压情况下能够很好地贴合地面起伏、形状，产生更大的摩擦力。研制团队经过多次地面摩擦力试验，获得了较理想的试验数据。

另外，考虑到镇铁的质量，结合10年前搬运镇铁的体会，研制团队还在镇铁的搬运上花了很多心思，定制了尺寸匹配、收放便利的小型四轮搬运车，一名壮小伙用它就能将250kg的镇铁托抬离地面3~5cm左右，移动到指定位置准确码放，效率较10年前提升了数倍。