系留氣球球體結(jié)構(gòu)獨(dú)立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

盧芳春，盧玉林，吳金國(guó)，唐京海，田金星

(空軍裝備部駐荊州地區(qū)軍事代表室，湖北 荊州 434000)

1 引 言

系留氣球是依靠浮力升空的空中平臺(tái)，可在一定程度上降低地球曲率和局部地形的影響，適合搭載各種雷達(dá)、偵察、通信、干擾等電子任務(wù)設(shè)備，可長(zhǎng)時(shí)間滯空，有效提高我軍戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)、偵察監(jiān)視、通信和電子對(duì)抗能力，在信息獲取和提升我軍綜合作戰(zhàn)能力等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

系留氣球的球體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)由氣囊、副氣囊、尾翼、整流罩、頭錐、索具和掛架等組成。地面錨泊時(shí)，球體通過(guò)安裝在頭部的頭錐將其頭部安全可靠地系留在系留塔上，并將牽引纜繩的集中載荷均勻分散到囊體上。由此可見(jiàn)，頭錐是系留氣球的重要部件之一，頭錐設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系留氣球的可靠性和安全性[4]。通過(guò)中部機(jī)械索具將球體中部約束到錨泊車(chē)上，可以有效防止氣球滾動(dòng)。一般情況下，設(shè)計(jì)師通過(guò)仿真分析頭錐和中部機(jī)械索具兩個(gè)部位的受力情況，然后選擇合適的結(jié)構(gòu)件。

空中系留時(shí)，主要通過(guò)尾翼來(lái)調(diào)整球體姿態(tài)，尾翼的變形是設(shè)計(jì)師關(guān)注的問(wèn)題[5]。掛架承載任務(wù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，在不同風(fēng)速條件下，掛架的穩(wěn)定情況決定了任務(wù)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的效果。通常，設(shè)計(jì)師通過(guò)“計(jì)算+經(jīng)驗(yàn)”的方式確定尾翼面積和掛架結(jié)構(gòu)。

如何驗(yàn)證這四處甚至更多的設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確？如何通過(guò)有效監(jiān)測(cè)結(jié)果促進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)？本文參照飛機(jī)試飛時(shí)加裝試飛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[6]，提出了加裝一套獨(dú)立于系留氣球之外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)空中系留、地面錨泊各種工況下的重點(diǎn)部位，如尾翼、掛架、頭錐和中部機(jī)械索具等。

2 目 的

本研究的目的是監(jiān)測(cè)系留氣球空中系留時(shí)尾翼和掛架的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系留氣球地面錨泊時(shí)頭錐和索具的受力情況，積累系留氣球各種工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

3 監(jiān)測(cè)原理及設(shè)備

3.1 空中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在氣囊上通過(guò)布套安裝3個(gè)攝像機(jī)，分別監(jiān)控垂尾和左右平尾。在整流罩內(nèi)部后側(cè)通過(guò)布套安裝1個(gè)攝像機(jī)，用來(lái)監(jiān)控掛架。球上視頻信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋下傳至地面，通過(guò)地面顯控軟件進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，原理框圖如圖1所示，安裝及效果示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 空中模式監(jiān)測(cè)原理框圖

圖2 空中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備安裝及效果示意圖

3.2 地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.2.1 原理

地面錨泊模式下，通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱集中采集中部機(jī)械索具及頭錐結(jié)構(gòu)的載荷和應(yīng)力數(shù)據(jù)，處理后通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。另外，測(cè)量錨泊車(chē)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度的傳感器數(shù)據(jù)直接連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，原理框圖見(jiàn)圖3。

圖3 地面錨泊監(jiān)測(cè)原理框圖

3.2.2 設(shè)備安裝

(1)頭錐測(cè)量傳感器安裝

在頭錐每一根斜撐桿(固定環(huán)與加強(qiáng)環(huán)之間的中部)安裝一個(gè)拉力傳感器，在每一根斜撐桿(錐帽與加強(qiáng)環(huán)之間的中部)前后兩面各粘貼1個(gè)應(yīng)變片，如圖4所示。

圖4 頭錐加改裝傳感器示意圖

(2)中部機(jī)械索具載荷測(cè)量傳感器安裝

在主索具大滑輪連接的一級(jí)索具上端，在一級(jí)索具與小滑輪之間增加一個(gè)拉力傳感器，調(diào)整相應(yīng)索具的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)整體交點(diǎn)不變，如圖5所示。

圖5 中部機(jī)械索具加改裝示意圖

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加裝原則

對(duì)系留氣球的監(jiān)測(cè)不僅限于本文的幾處位置，可以根據(jù)需要加裝不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備，但是加裝監(jiān)測(cè)設(shè)備需要考慮以下問(wèn)題，以免給系留氣球造成安全隱患。

4.1 安全性

加裝應(yīng)確保設(shè)備和人員的安全。對(duì)可能影響到試驗(yàn)安全、技術(shù)難度大或重要關(guān)鍵的加裝項(xiàng)目，應(yīng)進(jìn)行充分的技術(shù)論證和必要的原理性試驗(yàn)。

雷電防護(hù)要重點(diǎn)考慮，監(jiān)測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、部件等應(yīng)進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，確保處于系留氣球的雷電保護(hù)區(qū)內(nèi)或者配裝浪涌保護(hù)器[7]。加裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備與裝機(jī)系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，避免因雷擊損壞后影響裝機(jī)系統(tǒng)安全。在雷電天氣時(shí)，暫停監(jiān)測(cè)。在安全防護(hù)條件下，斷開(kāi)監(jiān)測(cè)線(xiàn)纜與采集儀器連接，關(guān)閉電源。雷電天氣過(guò)后，再重新連接監(jiān)測(cè)。

除此以外，加裝完成后應(yīng)及時(shí)清除金屬屑等多余物，以免對(duì)球體造成損傷。

4.2 完整性

改裝應(yīng)盡量保持系留氣球結(jié)構(gòu)的完整性，并符合以下要求：安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)盡可能利用系留氣球上現(xiàn)有的螺孔、托板自鎖螺母或分解鉚釘孔作為安裝固定點(diǎn)，盡量減少在系留氣球上開(kāi)孔，并避免在系留氣球主要受力部位或主承力構(gòu)件等高應(yīng)力區(qū)上開(kāi)孔。結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)合理，傳力正確，用材適當(dāng)。在結(jié)構(gòu)件上開(kāi)孔或進(jìn)行結(jié)構(gòu)改裝，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算和必要的加強(qiáng)，以滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求。

4.3 電磁兼容性

監(jiān)測(cè)設(shè)備與系留氣球的電磁兼容、電搭接應(yīng)符合相關(guān)要求，嚴(yán)重情況下，電磁兼容問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)發(fā)出錯(cuò)誤指令，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性后果[8]。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

尾翼監(jiān)測(cè)如圖6所示。

圖6 尾翼監(jiān)測(cè)

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到系留氣球各種工況下頭錐和中部機(jī)械索具的受力情況，從而驗(yàn)證整個(gè)系留氣球設(shè)計(jì)的正確性。頭錐測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，中部機(jī)械索具載荷測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 頭錐測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)

表2 中部機(jī)械索具載荷測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，這套系留氣球獨(dú)立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是一次小型的有益嘗試，但是得到的數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)師的研究工作很有幫助，希望下次能夠系統(tǒng)地研究全方位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)歷更多的工況，積累更多的數(shù)據(jù)。對(duì)于新研制的系留氣球，應(yīng)在研制過(guò)程中統(tǒng)籌安排，協(xié)調(diào)進(jìn)行。尤其對(duì)于系留氣球外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)難以加裝施工的項(xiàng)目，建議在系留氣球的生產(chǎn)、裝備中就同步進(jìn)行加改裝。