小型系留氣球地面錨泊系統(tǒng)綜述

喻廬榮

摘要：地面錨泊系統(tǒng)是影響系留氣球升空和回收的關鍵要素，直接關系到系留氣球系統(tǒng)作為空中平臺的可靠性。本文在介紹錨泊系統(tǒng)功能和設計原則的基礎上，同時對其組成部分及相關原理進行闡述。

關鍵詞：系留氣球；錨泊系統(tǒng)；升空回收

0 引言

系留氣球作為一種新興的空中載荷平臺，具有滯空時間長、使用成本低、能源消耗少、操作維護簡單、易于架設拆收等特點，廣泛應用于預警、偵察、通信、安防等相關領域。地面錨泊系統(tǒng)作為系留氣球平臺的重要組成部分，使得氣球在牽引絞盤，系留纜繩的牽引下實現(xiàn)升空、下降、空中系泊等所需的狀態(tài)，從而滿足任務系統(tǒng)在空中工作的需要。

1 地面錨泊系統(tǒng)的功能與設計原則

地面錨泊系統(tǒng)的主要功能是將系留氣球升至高空進行穩(wěn)定的工作，以及不工作時的回收系留，或者根據(jù)任務需要長期停留在某一高度進行滯空。錨泊系統(tǒng)通過系留纜繩對系留氣球?qū)崿F(xiàn)空中定點系泊，保證其在空中工作的穩(wěn)定性；另外，通過若干拉索對氣球?qū)嵤┑孛嫦盗粝倒蹋奖慵夹g人員對球體及球上設備進行維護或修理。在設計系留氣球地面錨泊系統(tǒng)時，需要充分考慮以下幾點：

第一，三點系留。系留氣球通過球體頭部的系留點和中部左右兩處系留點對氣球進行地面系留，因此地面錨泊系統(tǒng)應根據(jù)需要設置三部絞盤。系留時，將頭部絞盤拉索、左右絞盤拉索分別接入頭部機械絞盤和錨泊車兩側(cè)（側(cè)臂）的左右機械絞盤，并由三臺絞盤共同牽引球體到達地面系留位置；氣球解系過程中，由三臺機械絞盤同時控制系留氣球，直至主纜繩受力，絞盤拉索完全放出，對其實現(xiàn)脫系。三點系留的設計可以有效克服常規(guī)浮空器工作時需要大量地面人員的間題，一定程度上降低了系留氣球的使用成本。

第二，纜繩系泊。系留氣球在收、放過程及滯空狀態(tài)下，系留纜繩起拴系及牽引系留氣球的作用，保證氣球平臺搭載任務載荷能夠升至一定高度進行穩(wěn)定工作；同時，系留纜繩也能起到電能傳輸、數(shù)據(jù)通訊、雷電泄放等功能。因此，地面錨泊系統(tǒng)應配備纜繩收放裝置來實現(xiàn)對纜繩的牽引控制。

第三，快速收放?？紤]到系留氣球系統(tǒng)對惡劣氣象環(huán)境的快速響應需要，地面錨泊設備應設計若干速度檔位，以滿足不同收放速度的要求，使得系留氣球能夠在惡劣天氣來臨之前快速回收至地面系留，保障裝備的整體安全。

2 地面錨泊系統(tǒng)的組成及說明

系留氣球地面錨泊系統(tǒng)的作用是確保系留氣球能夠進行可靠的升空和回收，并在指定的高度上正常工作以及地面的安全系留。地面錨泊系統(tǒng)主要由配電系統(tǒng)、纜繩收放裝置、絞盤系留裝置、電氣控制系統(tǒng)、操控臺幾大部分組成，通過對主纜繩的收放完成系留氣球的上升、下降以及滯空工作，通過對機械絞盤的操作，實現(xiàn)系留拉索的放線或收線，從而完成系留氣球的解系和系留。

2.1 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要由若干斷路器、熔斷器、保護開關以及電源檢測裝置構(gòu)成，其主要功能是將輸入的380V/50Hz三相五線交流電進行安全合理的分配，為后端機電動力設備和以220V/50Hz工作的空調(diào)、照明設施、控制系統(tǒng)等提供電力支持，并在輸人出現(xiàn)過欠壓或相序錯誤時能自動切斷輸入。

2.2 纜繩收放裝置

系留氣球纜繩收放裝置安裝于錨泊車的設備艙內(nèi)，通過對系留纜繩的收放實現(xiàn)球體的放飛、回收和空中系泊。纜繩收放裝置主要由牽引裝置，收排線裝置兩部分組成。

2.2.1 牽引裝置

牽引裝置是收放系統(tǒng)的主驅(qū)動裝置，提供收放纜繩所需要的牽引力和制動力，并且可以按照相應的收放速度指令進行纜繩的收線或放線。

牽引電機選用變頻調(diào)速三相異步電機，配合變頻器控制實現(xiàn)電機調(diào)速功能，且在2～50Hz范圍內(nèi)調(diào)速時具有恒轉(zhuǎn)矩特性，即球體放飛和回收過程可實現(xiàn)不同速度下的恒轉(zhuǎn)矩收放。牽引電機為牽引裝置的動力源，并通過減速器將牽引電機的高轉(zhuǎn)速小扭矩變換成低轉(zhuǎn)速大扭矩驅(qū)動牽引齒輪，牽引輪依靠摩擦傳力收放纜繩來完成球體的上升和下降，同時液壓制動器保證了氣球在滯空期間的可靠制動。

牽引輪共有兩個，兩輪都采用帶有一定數(shù)量的半圓環(huán)槽的不銹鋼輪，系留纜繩嵌在牽引輪的輪槽內(nèi)，使其具有釋放從氣球側(cè)進入的系留纜繩張力的功能。牽引輪各級輪槽通過靜摩擦力將纜繩入口端的巨大載荷衰減為較小載荷，確保進入到收排線處的纜繩張力減小到某一設定值的范圍，以利于收卷和排線裝置將纜繩纏繞在儲纜卷筒上，起到保護纜繩的作用。

2.2.2 收排線裝置

收排線裝置主要承擔系留纜繩的存儲及收放線過程中的排纜功能，保證從牽引裝置引入的纜繩能整齊地排列收納在儲纜盤上，并提供足夠的纜繩尾張力，使其與主牽引裝置以相同的線速度運行。

纜繩收卷或放卷時，儲纜卷筒盤徑會發(fā)生變化，此時要保證纜繩收放的線速度和張力恒定，這就要求收卷電機具有恒功率特性。收卷力矩電機的力矩控制采用直接力矩控制方式，通過設定控制電壓來確定力矩的大小，后經(jīng)過減速器帶動儲纜盤跟隨牽引裝置收放纜繩同步運動。

排線裝置包含變頻電機、減速機、絲桿、導向桿以及支撐底座等構(gòu)成，它能夠?qū)⒉煌€徑的纜繩整齊均勻地排列在儲纜盤的表面。整套排線機構(gòu)采用變頻電機通過減速器驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動排線輪沿導向桿做直線運動，保證儲纜卷筒旋轉(zhuǎn)一圈時，能夠帶動排線輪沿纜繩卷筒軸向移動一個纜繩直徑的長度。在支架兩端安裝有換向開關，當排線輪觸碰到換向開關時，排線電機逆向旋轉(zhuǎn)，排線輪便反向運動，最終使得纜繩能夠整齊均勻地排列在儲纜盤上。

2.3 絞盤系留裝置

絞盤系留裝置主要由三臺機械絞盤組成，絞盤的結(jié)構(gòu)、指標均相同，包括絞盤電機、制動器、減速器、卷筒、排線器及支撐底座。三臺絞盤分別布置于系留塔和錨泊車的左右兩側(cè)支臂，用以牽引頭錐機械索具和左右機械索具，主要作用是在放纜初期和收纜后期輔助系留氣球的放飛、回收及地面系留。其中絞盤電機經(jīng)過減速器驅(qū)動卷筒來纏繞或釋放機械拉索，同時卷筒通過鏈輪鏈條帶動排線器排線。排線器的絲桿為雙線絲桿，可自動實現(xiàn)換向；機械絞盤電機采用交流變頻調(diào)速，具有高速和低速兩種運行速度，方便不同場合操作的需要，并且電機帶有剎車裝置，可提供足夠的制動力，保證氣球的地面系留。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)接收來自操控臺的控制信號，通過系統(tǒng)內(nèi)部的電路完成纜繩收放裝置、絞盤系留裝置中各電氣設備的聯(lián)動控制，從而實現(xiàn)主纜繩、絞盤拉索的收線或放線，并同時完成相關反饋數(shù)據(jù)和報警信息的采集。電氣控制系統(tǒng)由電機驅(qū)動調(diào)速、數(shù)據(jù)采集模塊、故障報警模塊、通信模塊組成。

2.4.1 電機驅(qū)動調(diào)速

電機驅(qū)動調(diào)速采用變頻器控制方式，控制回路主要由繼電器、接觸器、變頻器、制動電阻等電氣元件構(gòu)成。

操控臺內(nèi)部PLC（可編程邏輯控制模塊）在接收面板開關的操作指令輸入后，處理器按照預先設置的程序，使得PLC數(shù)字量模塊輸出電壓信號觸發(fā)繼電器觸點動作，給出變頻器相應的運行信號，同時PLC模擬量模塊輸出0～10V調(diào)速信號對應變頻器相應的輸出頻率，從而實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速功能；停機操作時，運行信號復位，調(diào)速信號輸出0V，切斷變頻器輸出，電機停止工作。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬量的采集，開關量的采集及從變頻器中讀取有關數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源主要由編碼器、拉力傳感器、限位開關、接近開關等組成，分別采集纜繩張力、纜繩放出長度、儲纜卷筒轉(zhuǎn)速以及各電機變頻器的運行反饋、排線機構(gòu)的換向等信號。其中放纜長度由主牽引齒輪上的接近開關測量脈沖個數(shù)換算得出；纜繩張力由牽引裝置前端人口處的拉力傳感器采集并換算；儲纜卷筒轉(zhuǎn)速由儲纜盤聯(lián)動軸處的編碼器測出；排線機構(gòu)的換向信號由導桿兩側(cè)的限位開關觸發(fā)并送至操控臺進行判斷。

2.4.3 故障報警模塊

通過對收放系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，當系統(tǒng)出現(xiàn)運行錯誤時，報警模塊將故障報警信號傳送至上位機進行實時顯示。報警信息類型主要包括主牽引變頻器故障、主牽引制動器故障、力矩電機制動器故障、排線變頻器故障、左中右絞盤變頻器故障等。

2.4.4 通信模塊

采用RS485總線將操控臺內(nèi)部的上位機、PLC和電氣控制系統(tǒng)中的變頻器、各傳感器連接起來。通過編寫可視化好、操作方便的上位機監(jiān)控軟件提高整個收放系統(tǒng)的自動化程度，既完成對收放設備的控制，也起到實時顯示反饋數(shù)據(jù)和報警信息的功能。

2.5 操控臺

2.5.1 硬件

操控臺用來完成對纜繩收放裝置、絞盤系留裝置等設備的控制。操控臺臺面安裝有筆記本計算機作為上位機，內(nèi)部裝有氣球監(jiān)控軟件；臺面布置相應的操作按鈕和指示燈，其內(nèi)部包含了可編程邏輯控制器（PLC）模塊、繼電器、保護開關等器件。

2.5.2 軟件

操控臺選用PLC（可編程邏輯控制器）作為控制核心，PLC擴展了數(shù)字量模塊和模擬量模塊，用來增加相應的數(shù)字量I/O接口和模擬量I/O接口；PLC采用梯形圖語言編程，在STEP7 MICRO-WIN4.0集成開發(fā)環(huán)境下編寫程序和調(diào)試；PLC程序分為主程序、初始化子程序、纜繩收放子程序、機械絞盤控制子程序等。

3 結(jié)束語

本文在分析系留氣球地面錨泊系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的基礎上，進一步闡述了電控系統(tǒng)的控制方式及有關原理。作為系留氣球平臺的重要組成部分，錨泊系統(tǒng)的設計必須依據(jù)系留氣球系統(tǒng)總體設計方案，同時兼顧系留氣球的使用模式和相關技術，從而提高整套裝備外場應用的可靠性和使用效率。

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