系留氣球裝備環(huán)境工程淺析

系留氣球裝備環(huán)境工程淺析

李美

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 質(zhì)量部，安徽 合肥 230088)

摘要：主要探討系留氣球等浮空器的環(huán)境適應性設計、試驗和評價；結合環(huán)境適應性工程思想，結合實際工作經(jīng)驗，闡述了浮空器裝備全壽命期環(huán)境分析、適應性設計以及環(huán)境試驗與評價等方面的工作要求。相比于飛機等短時飛行的航空器而言，對于留空時間長達數(shù)天乃至數(shù)十天的系留氣球，在設計和驗證過程中更應該關注其環(huán)境適應性要求。

關鍵詞：系留氣球裝備；環(huán)境適應性；設計；驗證

收稿日期：2014-11-17

作者簡介：李美(1978-)，男，安徽合肥人，工程師，從事質(zhì)量管理方面的研究。

中圖分類號：V214.5文獻標識碼：A

0引言

由于具有長時間、大范圍、可定點等優(yōu)點，系留氣球平臺已發(fā)展為車載、艦載、陣地等多種形式的系留氣球平臺，并大量應用于軍、民領域。對于航空飛行器而言，環(huán)境因素依然是造成飛行事故的重要原因[1]。而相比于飛機等短時飛行的航空器而言，留空時間長達數(shù)天乃至數(shù)十天的系留氣球，環(huán)境適應性更是其裝備研制的重點和難點。

環(huán)境適應性是裝備的一個固有質(zhì)量特性，是靠設計(試驗)和制造納入、靠試驗和管理來保證的，目前裝備的環(huán)境適應性管理正從單純的環(huán)境試驗小概念向環(huán)境工程大概念轉(zhuǎn)變[2]。美國MIL-STD-810標準從原來的單純試驗方法標準變?yōu)榘ōh(huán)境工程工作管理和實驗室試驗方法兩部分的混合型標準，明確提出環(huán)境工程工作思路(MIL-STD-810F 2001年)。北約NATO 4370號協(xié)議附件1《國防裝備環(huán)境指南》(1998年)明確規(guī)定裝備壽命期各個階段環(huán)境工程任務和剪裁的指導。種種跡象表明，裝備的環(huán)境適應性管理，不能局限于傳統(tǒng)的試驗，而要從立項論證環(huán)境適應性指標開始抓設計，抓全壽命管理。

本文結合環(huán)境適應性工程思想，結合實際工作經(jīng)驗，描述了浮空器裝備全壽命期環(huán)境分析、適應性設計以及環(huán)境試驗與評價等方面的工作要求。

1全壽命期剖面狀態(tài)環(huán)境分析

系留氣球全壽命期剖面狀態(tài)環(huán)境分析是一個復雜的系統(tǒng)工程。系留氣球自完成研制后主要經(jīng)歷裝備運輸、存儲、充氣展開、滯空執(zhí)行任務、收氣回收等多個壽命期剖面狀態(tài)。應結合環(huán)境應力產(chǎn)生的機理，分析確定各個狀態(tài)每一事件可能遇到的環(huán)境應力，編制與壽命期每一事件有關的自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境清單。對系留氣球環(huán)境適應性影響的因素眾多，包括存儲運輸環(huán)境、使用陣地地表環(huán)境、放飛區(qū)大氣環(huán)境等等。

對系留氣球影響的環(huán)境因素主要包括：溫度、濕度、鹽霧、霉菌和太陽輻射等。在高低溫作用下，系留氣球軟結構通常會發(fā)生強度變化及老化。霉菌對系留氣球影響，主要表現(xiàn)在對材料的直接或間接侵蝕。系留氣球暴露于腐蝕性大氣環(huán)境中，鹽霧會對軟硬結構產(chǎn)生腐蝕，導致其老化或性能下降，同時造成絕緣及金屬的腐蝕，導致設備電路損壞。濕度會導致表面覆蓋層的化學破壞，產(chǎn)生腐蝕膜，同時對電氣設備也有影響。太陽輻射對系留氣球內(nèi)部溫度熱效應，同時加快材料的老化。

特別要指出的是，即使在系留氣球設計較為完善的今天，氣象環(huán)境因素仍然是造成裝備事故的重要原因之一，是環(huán)境分析的重點。系留氣球主要工作在離地高度4000米以下的大氣對流層。對流層大氣環(huán)境主要特點在于氣溫隨高度的增加而降低(海拔每上升100米，氣溫降低0.6℃)，大氣對流運動顯著，天氣現(xiàn)象復雜多樣，云、雨、雪等天氣現(xiàn)象都發(fā)生在對流層[3]。各種天氣現(xiàn)象，例如云、雨、霧、雪、雹、霾、雷暴、閃電、結冰等，都能直接影響系留氣球的安全，是環(huán)境適應性需要重點考慮的因素。

風場對系留氣球影響主要在于對系留氣球性能、載荷、結構和強度方面產(chǎn)生影響。從對流層開始至平流層底層，風場的變化隨著季節(jié)、經(jīng)緯度的變化，對應每個高度層的風速、風向都發(fā)生變化。環(huán)境分析除了要考慮最大常值風外，風速風向變化諸如大氣湍流、風切變也不應忽視。

雷電對系留氣球的危害是多方面的。雷電產(chǎn)生高達數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏的沖擊電壓，可毀壞變壓器、斷路器、絕緣子等電氣設備的絕緣，二次放電(反擊)的火花也可能引起火災或爆炸；絕緣的損壞，如高壓竄入低壓，可造成嚴重觸電事故；巨大的雷電流流入地下，會在雷擊點及其連接的金屬部分產(chǎn)生極高的對地電壓，可直接導致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故；當幾十至上千安的強大電流通過導體時，在極短的時間內(nèi)將轉(zhuǎn)換成大量熱能，產(chǎn)生的高溫往往會釀成火災[4]。根據(jù)雷電放電的形式不同可分為云對地、云對云和云層內(nèi)部放電三種形式。系留氣球高度在4000m以下，在該區(qū)域內(nèi)雷電的云對地放電比例大些。因而雷電多發(fā)區(qū)的雷電防護也是環(huán)境分析需要考慮的。

此外，大氣壓力和大氣密度的降低對電工電子產(chǎn)品的性能有一定的影響。隨著氣壓的降低,致使電工產(chǎn)品的電暈(起始及消失電暈)電壓減小,外絕緣電氣強度也降低。隨著氣壓的降低,空氣密度也相應減小,致使散熱能力下降,導致以自然對流、強迫風冷或空氣自然散熱為主要散熱方式的產(chǎn)品溫升增高。此外，氣壓降低,以自由空氣為滅弧介質(zhì)的開關電器產(chǎn)品的通斷能力和電壽命受到一定的影響。

2環(huán)境適應性設計

系留氣球裝備設計過程中應根據(jù)環(huán)境適應性分析結果，采取環(huán)境適應性設計，以使裝備達到規(guī)定的環(huán)境適應性水平。與常規(guī)裝備一樣，應主要考慮盡量采用成熟的環(huán)境適應性設計技術，增加一定的耐環(huán)境設計余量、選用耐環(huán)境能力強的零部件、元器件和材料，增加改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施，增加環(huán)境防護設計等手段[5]。相關工程設計也可參考文獻進行。這里重點介紹系留氣球環(huán)境適應性設計所需考慮的特異之處。

由于系留氣球設計的特點，囊體材料選用需考慮輕面密度、高強度、高阻氦、柔韌性以及可熱和性等因素。同時，由于囊體材料在氣球地面系留及升空工作階段直接、長時承受大氣環(huán)境應力，這對材料在溫度、濕度、紫外線等自然損耗情況下的抵抗性也提出了嚴格的要求?，F(xiàn)代浮空器用囊體膜材，歐美國家大都選擇了高科技多層復合柔軟材料。這些復合材料主要有兩種結構形式：一種是多膜結構層壓式，這種制造方法是將各種功能膜材按規(guī)則一層一層的鋪設，然后進行加熱加壓，經(jīng)過一定時間層壓成型；另一種是涂層復合式，這種制造方法是將功能溶液涂附在基層上，然后烘干成型?，F(xiàn)代浮空器用囊體材料，一般都包含承重織物基材、耐候?qū)?、氣密層、粘接層等，如圖1所示。材料的最終性質(zhì)可以通過合理的選擇各層材料，并經(jīng)特殊工藝處理而達到完善。其中，抗UV聚酯涂層(Mylar膜 )或抗紫外線聚氟乙烯PVF薄膜(商品名Tedlar)可起到耐候和阻氦作用，大幅提升囊體材料的使用壽命[6-7]。

圖1　多層復合材料示意圖

雷電附著防護設計的思路是在球皮表面布置避雷索，使雷電附著在避雷索上，然后經(jīng)引下電纜的導雷層導入地下，而不會直接附著在球皮上或球皮上暴露的設備上。不能直接將避雷索配置在氣球表面，因為氣球材料可能會由于通過雷電的避雷索過熱熔化。該避雷索通過固定在球皮上的防雷桿等絕緣支撐，使避雷索與球皮距離一定高度，保護球皮不被來自氣球上方的雷電先導直接附著，并保護其上防撞燈、風機、閥門等暴露在球皮表面的金屬件免于雷電直接附著[8]，如圖2所示。

圖2　美國TCOM公司研制的71M系留氣球防雷設計

在完成環(huán)境適應性設計方案后，應考慮系留氣球的每一種工作模式，對裝備的環(huán)境適應進行預計。應根據(jù)系留氣球自身工作特性工作情況確定產(chǎn)品所處的最惡劣環(huán)境(環(huán)境類型及量值)，同時利用材料、元器件及零部件的手冊提供的有關數(shù)據(jù)確定其的定量耐環(huán)境極限能力，確定系留氣球能否承受惡劣環(huán)境作用以及耐受最惡劣環(huán)境作用的余量。對于系留氣球抗風、抗雨等要求，相關適應性設計較難通過環(huán)境試驗加以測試驗證，可采用模型風洞試驗結合動力學仿真的方法加以環(huán)境適應性預計[9]，如圖3所示。

圖3　系留氣球抗風能力環(huán)境適應性可視化仿真系統(tǒng)

3環(huán)境試驗與評價

環(huán)境試驗是系留氣球環(huán)境工程的重要環(huán)節(jié)，直接關系到能否對系留氣球進行環(huán)境適應性進行客觀的評價。應根據(jù)系留氣球裝備壽命期環(huán)境剖面，參照有關標準，制定試驗項目和試驗條件。浮空器裝備分為系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、整件級。由于系留氣球系統(tǒng)體積巨大，當系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級提供給訂購方的裝備不能以整體形式進行試驗尤其是實驗室試驗時，可以分別對其子系統(tǒng)或整件進行試驗。具體試驗方法和試驗條件可參考相關環(huán)境試驗標準。

值得注意的是，系留氣球地面聯(lián)試后首飛前，應根據(jù)環(huán)境試驗與評價總計劃，制定一個具體的安全性環(huán)境試驗計劃，對涉及飛行安全的產(chǎn)品選擇關鍵(敏感)的環(huán)境因素(諸如囊體環(huán)境條件下的力學性能、防雷等)安排相應的環(huán)境試驗，以保證首飛安全[9]。

由于系留氣球裝備使用周期長達數(shù)年，環(huán)境應力條件復雜，實驗室環(huán)境試驗后，可進一步進行使用環(huán)境試驗，確定裝備使用過程中自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境對其影響，如自然風環(huán)境、淋雨環(huán)境等，為改進環(huán)境適應性設計及評價環(huán)境適應性提供信息。

在自然環(huán)境、實驗室環(huán)境以及使用環(huán)境試驗過程后，應收集各種試驗結果和有關信息及相應的記錄數(shù)據(jù)、有關故障和問題的信息，相關環(huán)境信息管理系統(tǒng)可與故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)(FRACAS)結合運行。通過環(huán)境工程，掌握全壽命剖面狀態(tài)下環(huán)境影響數(shù)據(jù)及規(guī)律，對整個系留氣球裝備或其某些系統(tǒng)的環(huán)境適應性做出全面評價。

4結語

本文通過對系留氣球全壽命周期內(nèi)所遇到環(huán)境因素及其影響分析，確定了系留氣球會受到溫度、霉菌、鹽霧、濕度、太陽輻射、風、雷電、大氣壓力和大氣密度等主要因素的影響。根據(jù)全壽命期剖面環(huán)境分析結果，重點介紹囊體材料選用、球體防雷等環(huán)境適應性設計內(nèi)容，最后就系留氣球使用環(huán)境的特點和相關試驗標準對相關環(huán)境試驗與評價要求做出了定性要求。

參考文獻

[1] 沙正平.飛機設計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2005:27-38.

[2] 肖業(yè)倫，金長江.大氣擾動中的飛行原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1993:77-80.

[3] 嚴家偉.大氣環(huán)境分析[J].浮空器研究,2013(4):11-13.

[4] 趙海.雷電危害的機理分析與防護措施[J].地震地磁觀測與研究,2005，26(2):110-114.

[5] 孫帆.系留氣球環(huán)境適應性研究[J].航空標準化與質(zhì)量,2012(2):57-64.

[6] 李俊華，聶建斌.多層接結織物在復合材料中的研究[J].山東紡織科技,2008(3):51-53.

[7] 吉勒特.飛艇技術[M].王生，譯.北京:科學出版社,2008:67-88.

[8] 倪青松，榮海春，王少峰.系留氣球雷電直接效應防護設計[J].西安航空學院學報,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.

[責任編輯、校對：東艷]

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