系留气球球体结构独立监测系统研究

卢芳春，卢玉林，吴金国，唐京海，田金星

(空军装备部驻荆州地区军事代表室，湖北 荆州 434000)

1 引 言

系留气球是依靠浮力升空的空中平台，可在一定程度上降低地球曲率和局部地形的影响，适合搭载各种雷达、侦察、通信、干扰等电子任务设备，可长时间滞空，有效提高我军战场预警探测、侦察监视、通信和电子对抗能力，在信息获取和提升我军综合作战能力等方面具有重要应用价值[1-3]。

系留气球的球体结构分系统由气囊、副气囊、尾翼、整流罩、头锥、索具和挂架等组成。地面锚泊时，球体通过安装在头部的头锥将其头部安全可靠地系留在系留塔上，并将牵引缆绳的集中载荷均匀分散到囊体上。由此可见，头锥是系留气球的重要部件之一，头锥设计的优劣直接关系到系留气球的可靠性和安全性[4]。通过中部机械索具将球体中部约束到锚泊车上，可以有效防止气球滚动。一般情况下，设计师通过仿真分析头锥和中部机械索具两个部位的受力情况，然后选择合适的结构件。

空中系留时，主要通过尾翼来调整球体姿态，尾翼的变形是设计师关注的问题[5]。挂架承载任务系统和控制系统，在不同风速条件下，挂架的稳定情况决定了任务系统执行任务的效果。通常，设计师通过“计算+经验”的方式确定尾翼面积和挂架结构。

如何验证这四处甚至更多的设计是否准确？如何通过有效监测结果促进设计改进？本文参照飞机试飞时加装试飞监测系统的方式来解决这个问题[6]，提出了加装一套独立于系留气球之外的监测系统来监测空中系留、地面锚泊各种工况下的重点部位，如尾翼、挂架、头锥和中部机械索具等。

2 目 的

本研究的目的是监测系留气球空中系留时尾翼和挂架的工作状态，监测系留气球地面锚泊时头锥和索具的受力情况，积累系留气球各种工况试验数据，验证设计的正确性。

3 监测原理及设备

3.1 空中监测系统

在气囊上通过布套安装3个摄像机，分别监控垂尾和左右平尾。在整流罩内部后侧通过布套安装1个摄像机，用来监控挂架。球上视频信号通过无线网桥下传至地面，通过地面显控软件进行显示和存储，原理框图如图1所示，安装及效果示意图见图2。

图1 空中模式监测原理框图

图2 空中监测系统设备安装及效果示意图

3.2 地面监测系统

3.2.1 原理

地面锚泊模式下，通过数据采集箱集中采集中部机械索具及头锥结构的载荷和应力数据，处理后通过网线传输给计算机进行显示。另外，测量锚泊车回转平台转动速度和加速度的传感器数据直接连接计算机进行显示，原理框图见图3。

图3 地面锚泊监测原理框图

3.2.2 设备安装

(1)头锥测量传感器安装

在头锥每一根斜撑杆(固定环与加强环之间的中部)安装一个拉力传感器，在每一根斜撑杆(锥帽与加强环之间的中部)前后两面各粘贴1个应变片，如图4所示。

图4 头锥加改装传感器示意图

(2)中部机械索具载荷测量传感器安装

在主索具大滑轮连接的一级索具上端，在一级索具与小滑轮之间增加一个拉力传感器，调整相应索具的长度实现整体交点不变，如图5所示。

图5 中部机械索具加改装示意图

4 监测系统加装原则

对系留气球的监测不仅限于本文的几处位置，可以根据需要加装不同的监测设备，但是加装监测设备需要考虑以下问题，以免给系留气球造成安全隐患。

4.1 安全性

加装应确保设备和人员的安全。对可能影响到试验安全、技术难度大或重要关键的加装项目，应进行充分的技术论证和必要的原理性试验。

雷电防护要重点考虑，监测设备的结构、部件等应进行雷电防护设计，确保处于系留气球的雷电保护区内或者配装浪涌保护器[7]。加装的监测设备与装机系统应相互独立，避免因雷击损坏后影响装机系统安全。在雷电天气时，暂停监测。在安全防护条件下，断开监测线缆与采集仪器连接，关闭电源。雷电天气过后，再重新连接监测。

除此以外，加装完成后应及时清除金属屑等多余物，以免对球体造成损伤。

4.2 完整性

改装应尽量保持系留气球结构的完整性，并符合以下要求：安装监测设备应尽可能利用系留气球上现有的螺孔、托板自锁螺母或分解铆钉孔作为安装固定点，尽量减少在系留气球上开孔，并避免在系留气球主要受力部位或主承力构件等高应力区上开孔。结构应设计合理，传力正确，用材适当。在结构件上开孔或进行结构改装，应根据需要进行强度、刚度计算和必要的加强，以满足强度刚度要求。

4.3 电磁兼容性

监测设备与系留气球的电磁兼容、电搭接应符合相关要求，严重情况下，电磁兼容问题会导致计算机发出错误指令，进而引发灾难性后果[8]。

5 监测结果

尾翼监测如图6所示。

图6 尾翼监测

通过监测系统得到系留气球各种工况下头锥和中部机械索具的受力情况，从而验证整个系留气球设计的正确性。头锥测量传感器数据见表1，中部机械索具载荷测量传感器数据见表2。

表1 头锥测量传感器数据

表2 中部机械索具载荷测量传感器数据

6 结束语

总的来说，这套系留气球独立监测系统只是一次小型的有益尝试，但是得到的数据对于设计师的研究工作很有帮助，希望下次能够系统地研究全方位的监测系统，经历更多的工况，积累更多的数据。对于新研制的系留气球，应在研制过程中统筹安排，协调进行。尤其对于系留气球外场试验时难以加装施工的项目，建议在系留气球的生产、装备中就同步进行加改装。