系留氣球結(jié)冰探測(cè)方法

耿德華 蔣鵬程

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035）

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系留氣球結(jié)冰探測(cè)方法

耿德華 蔣鵬程

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035）

摘 要：系留氣球是一種利用內(nèi)部浮升氣體凈浮力升空的飛行器，隨著其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)結(jié)冰探測(cè)的要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)系留氣球產(chǎn)品的簡(jiǎn)介、結(jié)冰危害、結(jié)冰探測(cè)需求等方面出發(fā)，提出了利用現(xiàn)有飛機(jī)用結(jié)冰信號(hào)器來(lái)解決系留氣球結(jié)冰探測(cè)問(wèn)題的方法，包括安裝位置、結(jié)冰程度判斷等。

關(guān)鍵詞：系留氣球；結(jié)冰探測(cè)；結(jié)冰信號(hào)器；結(jié)冰程度

1. 系留氣球介紹

系留氣球是一種依靠氣囊內(nèi)的浮升氣體獲得浮力，并用纜繩進(jìn)行固定的浮空器，可以實(shí)現(xiàn)空中定高度長(zhǎng)時(shí)間地駐留。

國(guó)外在軍事領(lǐng)域?qū)ο盗魵馇虻膽?yīng)用非常多，典型的有美國(guó)的陣地式系留氣球載雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)（Tethered Aerostat Radar System，TARS）、海軍空中中繼通信系統(tǒng)（Marine Airborne Re-Transmission System，MARTS）、聯(lián)合防御對(duì)陸攻擊空中組網(wǎng)傳感器系統(tǒng)（Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor System，JLENS）、快速部署浮空器預(yù)警系統(tǒng)（Rapid Aerostat Initial Deployment，RAID）、快速空中浮空器平臺(tái)系統(tǒng)（Rapidly Elevated Aerostat Platform，REAP）、持續(xù)威脅探測(cè)系統(tǒng)（Persistent Threat Detection System， PTDS）、持久地面監(jiān)視系統(tǒng)（Persistent Ground Surveillance System，PGSS）等；俄羅斯的“GePard”車(chē)載移動(dòng)式系留氣球、“PUMA”和“JAGUAR”大型系留氣球、“DAG-2M”傘兵訓(xùn)練型系留氣球等。

根據(jù)公開(kāi)的資料統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代后，國(guó)外總共約60多種系留氣球產(chǎn)品投入軍事用途，主要任務(wù)使命可歸為偵察監(jiān)視、預(yù)警探測(cè)、通信中繼和傘兵訓(xùn)練等用途。偵察監(jiān)視和預(yù)警探測(cè)是國(guó)外系留氣球主要任務(wù)使命，總占有率約為80%。

2. 系留氣球結(jié)冰危害

與飛機(jī)依靠翼面的氣動(dòng)特性產(chǎn)生升力不同，系留氣球這一類(lèi)的浮空器依靠浮升氣體產(chǎn)生的凈浮力升空。因此，結(jié)冰對(duì)系留氣球的危害形式，與對(duì)飛機(jī)的危害形式是截然不同的。

飛機(jī)結(jié)冰的危害，主要是改變飛機(jī)的氣動(dòng)特性而引起操縱失控，系留氣球結(jié)冰主要是由于大面積結(jié)冰引起的凈浮力下降，和堅(jiān)硬冰塊對(duì)囊體材料的損傷。其余因結(jié)冰導(dǎo)致的外部設(shè)備故障，系留氣球與飛機(jī)類(lèi)似。

3. 結(jié)冰探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)浮空器的結(jié)冰探測(cè)研究極少，主要還是集中在飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)上，依靠結(jié)冰信號(hào)器對(duì)結(jié)冰狀況進(jìn)行感知。

結(jié)冰信號(hào)器根據(jù)產(chǎn)品外形可分為外伸式和內(nèi)埋式兩種，根據(jù)采用的關(guān)鍵技術(shù)，可分為放射線技術(shù)、熱交換技術(shù)、諧振技術(shù)、磁滯伸縮技術(shù)、導(dǎo)電環(huán)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

目前，飛機(jī)的結(jié)冰探測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具有一系列已經(jīng)成熟完善的產(chǎn)品，對(duì)新技術(shù)的研發(fā)也比較活躍。

4. 系留氣球結(jié)冰探測(cè)要求

飛機(jī)結(jié)冰信號(hào)器的要求是反應(yīng)靈敏，能夠?qū)O薄的結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行感知，同時(shí)要求預(yù)警時(shí)間快速，兼具冰型判斷能力。但對(duì)于系留氣球而言，由于結(jié)冰的危害形式與飛機(jī)截然不同，對(duì)結(jié)冰探測(cè)的要求也有明顯的區(qū)別。

系留氣球?qū)τ诮Y(jié)冰探測(cè)要求如下：

（a）結(jié)冰告警，一旦處于結(jié)冰環(huán)境應(yīng)向操作人員提供告警信號(hào)；

（b）持續(xù)工作能力，結(jié)冰傳感器具有加熱融冰功能確保持續(xù)工作；

（c）結(jié)冰厚度累積功能，可以為操作人員提供結(jié)冰的嚴(yán)重程度。

5. 結(jié)冰信號(hào)器在系留氣球上的安裝位置

系留氣球有用結(jié)冰信號(hào)器一般安裝在頭部且過(guò)冷水滴流速最大區(qū)域，便于過(guò)冷水的收集凍結(jié)從而進(jìn)行結(jié)冰告警。

利用CFD軟件對(duì)系留氣球不同姿態(tài)下過(guò)冷水滴撞擊情況進(jìn)行分析，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

通過(guò)上述的過(guò)冷水滴撞擊軌跡計(jì)算，排除整流罩最下部的安裝位置，可確定兩處結(jié)冰信號(hào)器安裝位置，如圖5所示。

6. 結(jié)冰厚度累計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)

6.1 實(shí)現(xiàn)原理

采用飛機(jī)用的結(jié)冰信號(hào)傳感器，均能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)工作能力，即利用結(jié)冰信號(hào)器自帶的融冰功能。但對(duì)于系留氣球產(chǎn)品而言，由于結(jié)冰重量是重點(diǎn)危害形式，需利用結(jié)冰信號(hào)器實(shí)現(xiàn)結(jié)冰厚度累計(jì)判斷功能。

在當(dāng)前結(jié)冰信號(hào)器無(wú)法探測(cè)大厚度冰層的限制條件下，采用軟件次數(shù)累計(jì)計(jì)算進(jìn)行結(jié)冰厚度預(yù)估。即結(jié)冰信號(hào)器報(bào)警后，自動(dòng)融冰，軟件記錄一次報(bào)警，重復(fù)報(bào)警后，記錄報(bào)警次數(shù)、間隔時(shí)間、周邊環(huán)境，利用統(tǒng)計(jì)次數(shù)判斷結(jié)冰程度。

6.2 結(jié)冰報(bào)警驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證結(jié)冰報(bào)警次數(shù)與結(jié)冰程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在氣候?qū)嶒?yàn)室開(kāi)展結(jié)冰驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

在氣候?qū)嶒?yàn)室中，調(diào)節(jié)風(fēng)速為9m/s～10m/s，水含量為0.6g/s～0.8g/s，粒子直徑20μm。試驗(yàn)件包括結(jié)冰信號(hào)器、系留氣球尾翼縮比模型、球上索具及囊體材料平板。

試驗(yàn)過(guò)程中照片如圖6所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，采用的結(jié)冰信號(hào)器報(bào)警閾值為結(jié)冰厚度0.5mm，融冰時(shí)間10s。

6.3 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)持續(xù)時(shí)間不同、風(fēng)速不同、含水量不同的數(shù)次試驗(yàn)后，結(jié)果表明：

（a）系留氣球不同部件在相同的持續(xù)時(shí)間、相同的結(jié)冰環(huán)境下結(jié)冰厚度是不同的。

（b）所有部件在相同結(jié)冰環(huán)境下的結(jié)冰厚度，與持續(xù)時(shí)間有關(guān)，但不是線性的。

（c）在結(jié)冰環(huán)境不改變條件下，部件的結(jié)冰厚度，可以通過(guò)結(jié)冰信號(hào)器的報(bào)警次數(shù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)應(yīng)，進(jìn)而通過(guò)時(shí)間與結(jié)冰厚度之間的曲線判斷實(shí)際結(jié)冰厚度。

結(jié)論

對(duì)于系留氣球產(chǎn)品而言，當(dāng)前階段可采用飛機(jī)用的結(jié)冰信號(hào)器進(jìn)行結(jié)冰探測(cè)，但其位置需根據(jù)實(shí)際球體的外形和尺寸進(jìn)行確定，一般安裝在球體頭部上方或下方的位置。

系留氣球?qū)τ诮Y(jié)冰探測(cè)要求與飛機(jī)區(qū)別較大，對(duì)于關(guān)鍵的結(jié)冰程度判斷，是可以通過(guò)結(jié)冰信號(hào)器報(bào)警次數(shù)與時(shí)間—結(jié)冰厚度曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)冰環(huán)境時(shí)刻在發(fā)生改變，需要更加復(fù)雜的公式進(jìn)行實(shí)際模擬。

隨著系留氣球類(lèi)浮空器產(chǎn)品應(yīng)用的推廣，對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品結(jié)冰探測(cè)的需求會(huì)越來(lái)越多，其產(chǎn)品的前景及應(yīng)用技術(shù)的需求會(huì)越來(lái)越廣闊。

參考文獻(xiàn)

［1］李航航，周敏.飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)及防除冰系統(tǒng)工程應(yīng)用［J］.航空工程進(jìn)展，2010.（1）：112-115.

中圖分類(lèi)號(hào)：V351

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