機動式系留氣球飛行過程模擬

譚百賀

0 引言

系留氣球通過氣球浮力攜帶任務(wù)載荷升至空中，為任務(wù)載荷提供了更廣闊的視野范圍。

常規(guī)系留氣球的地面錨泊裝置固定在地面上，依靠纜繩系留將氣球約束在一定的空中范圍內(nèi)。機動式系留氣球的地面錨泊裝置安裝在機動車輛上，可以像常規(guī)系留氣球一樣在固定位置完成氣球的升空任務(wù)，而當(dāng)氣球及其拉力量級較小、滿足車輛的機動安全時，也可以在氣球飛行時完成一些地面機動。

國內(nèi)學(xué)者對機動系留氣球的設(shè)計和應(yīng)用開展了研究[1-2]，與機動式系留氣球類似的高空系留氣球的上升過程也由國內(nèi)外學(xué)者進行了仿真分析[3-7]。本文結(jié)合升空氣球的動力學(xué)與熱力學(xué)模型，增加了系留氣球地面錨泊設(shè)備的運動，對系留氣球的升降與升空后的機動過程開展了比較詳細(xì)的仿真模擬，并對其飛行過程中的影響因素進行了討論。

1 系統(tǒng)組成

圖1機動式系留氣球裝置示意圖

機動式系留氣球系統(tǒng)主要由升空氣球、系留纜繩、收放絞盤和機動錨泊車輛等幾大部分組成。

升空氣球內(nèi)部填充浮升氣體，產(chǎn)生靜浮力，搭載各種載荷設(shè)備升空；系留纜繩連接地面機動錨泊車與升空氣球，承受極大的拉力；收放絞盤用于收放系留纜繩，并在氣球上升和下降過程中控制氣球升降速度；機動錨泊車停放在地面上，為氣球系留、升降、機動等運動提供地面系固點。

2 仿真模型

2.1 動力學(xué)模型

系留氣球系統(tǒng)的動力學(xué)模型主要包括氣球和纜繩，考慮高度/水平二維情況，對系統(tǒng)進行分段，各節(jié)點統(tǒng)一形式的方程為：

其中：mi為各節(jié)點質(zhì)量，節(jié)點1包括氣球質(zhì)量及附加質(zhì)量，其余為各段纜繩質(zhì)量；Vx和Vy為分別水平和豎直速度；B為浮力；G為重力；D為氣動阻力；F為纜繩拉力；α為纜繩與水平面夾角；系統(tǒng)各節(jié)點受力分析如圖2所示。

圖2氣球與纜繩受力分析

2.2 熱力學(xué)模型

系統(tǒng)熱力學(xué)模型主要包括氣球與氣球內(nèi)部的氣體，熱力學(xué)方程為。

其中：c為物體比熱；me和mhe分別為囊體和氦氣質(zhì)量；T為溫度；Phe為氦氣壓差；Vhe為氦氣體積；Qdirect為太陽直射輻射熱流；Qdiffuse為大氣散射輻射熱流；Qreflect為地面反射輻射熱流；Qup為天空紅外輻射熱流；Qdown為地面紅外輻射熱流；Qout為囊體外部對流熱流；Qin為囊體內(nèi)部對流熱流；Qe為囊體熱輻射熱流。系統(tǒng)熱交換分析如圖3所示。

圖3熱交換分析

根據(jù)公式（1），系留氣球在飛行過程中，主要受到浮力、重力、氣動力、以及纜繩拉力的作用。其中氣球的重浮力、運動與氣球的熱交換相互影響，由公式（2）、（3）確定；而纜繩的拉力除去纜繩自身的重力、氣動力外，主要由纜繩的收放控制以及錨泊車輛的牽引運動決定。

3 飛行仿真

在本文的仿真中，設(shè)計系留氣球最大體積4 100 m3，系統(tǒng)重量1 600 kg，氦氣充氣量444 kg；系留纜繩線密度0.08 kg/m；收放絞盤具有5 m/s量級的纜繩收放能力。

圖4氣球高度/纜繩收放速度-時間曲線

仿真過程中，氣球的運動過程主要為：機動式系留氣球首先在錨泊車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時通過纜繩釋放完成上升操作；隨后保持纜繩長度，錨泊車輛開始水平移動；當(dāng)錨泊車輛再次靜止后，氣球通過纜繩收卷完成下降操作。整個運動過程中纜繩的收放操作如圖4所示。當(dāng)纜繩長度保持不變時，由于錨泊車輛的運動，氣球在纜繩拉力、氣動力等的綜合作用下飛行高度明顯降低。

圖5囊體/氦氣超熱-高度曲線

氣球內(nèi)部氣體及囊體本身的溫度變化過程如圖5所示。氣球在夜晚上升，無太陽直射熱流，受紅外輻射熱流、對流換熱及膨脹做功的影響，整體處于超冷狀態(tài)；下降過程中，氣球內(nèi)部氣體壓縮做功，氣球整體超冷有所緩解。

圖6纜繩頂部、底部拉力

系留氣球運動過程中，由于收放操作以及錨泊車輛的作用，纜繩拉力發(fā)生較大的變化。圖6給出了纜繩頂部和底部拉力隨時間的變化曲線，其中在錨泊車輛運動時與氣球下降過程中纜繩的最大拉力達到了15 kN量級，需要在氣球設(shè)計階段充分考慮纜繩的強度。

結(jié)合熱力學(xué)模型與纜繩收放控制，高空氣球的升降過程中的水平與豎直速度仿真曲線如圖7所示，纜繩在空中的形狀如圖8所示。

上升過程中氣球向上運動、并隨風(fēng)飄移，纜繩對氣球的約束力較小，氣球的豎直速度主要控制在6～8 m/s，最大水平速度約14 m/s，相對于風(fēng)速25 m/s的最大風(fēng)速，氣球需要面對約11 m/s的空速；下降過程中，由于纜繩收線拉力的作用，氣球的豎直速度主要控制在5 m/s以內(nèi)，高空水平速度僅有8 m/s，低空水平速度-6 m/s以內(nèi)，氣球面對的空速達到了20 m/s量級，由此也對纜繩及氣球的強度提出了更高的要求。

4 結(jié)論

高空系留氣球在升降過程中，熱交換與升降速度等因素相互影響，同時還受到纜繩收放的控制，整體運動比較復(fù)雜。本文基于氣球動力學(xué)與熱力學(xué)模型，結(jié)合典型大氣環(huán)境和纜繩控制，對氣球的上升和下降過程進行了仿真，分析了期間熱、風(fēng)場、纜繩拉力等的作用，并對氣球系統(tǒng)中纜繩、絞盤等的設(shè)計提出了要求，可為相關(guān)裝置的研制提供一定的參考。

圖7氣球水平與豎直速度

圖8升降過程纜繩空中形狀