高空系留氣球的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

費(fèi)東年 高尚書

摘? 要：高空系留氣球的雷電防護(hù)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程，目前國內(nèi)外都還沒有針對(duì)高空系留氣球的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。本文從設(shè)備雷電防護(hù)的原理出發(fā)，在充分分析雷電可能對(duì)系留氣球囊體表面及球上電子電氣設(shè)備造成損壞的基礎(chǔ)上，提出了一種基于法拉第籠等電位方式的新型防雷設(shè)計(jì)方案。本文重點(diǎn)對(duì)防雷桿、避雷索和導(dǎo)電裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而確保系留氣球遇到雷擊時(shí)能夠安全運(yùn)行，最后利用縮比模型的雷電防護(hù)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的防雷效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高空系留氣球? 防雷系統(tǒng)? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)? 防雷桿? 避雷索? 防護(hù)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V273; V19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0010-05

Lightning Protection Design of Tethered Balloon System

FEI Dongnian*? GAO Shangshu

（No. 38 Research Institute， CETC， Hefei， anhui province， 230088? China）

Abstract： The lightning protection of high altitude tethered balloon is a very complex project. At present， there is no lightning protection standard for high altitude tethered balloon at home and abroad. Based on the principle of lightning protection， a new lighting protection design scheme based on Faraday Cage Equipotent mode was proposed on the basis of fully analyzing the possible damage of lightning to tethered balloons and the harm to workers. To ensure the safe operation of tethered balloon in case of lightning stroke， the key components such as lightning rod， lightning cable and conductive device were detailed designed. Finally， the lightning protection test of the scale model was used to verify the lightning protection effect of the design scheme.

Key Words： Tethered balloon; Lightning protection system; System design; Lightning proof pole; Lightning proof cable; Protection test

如今，隨著科學(xué)技術(shù)和材料工藝技術(shù)的不斷提高，系留氣球的安全系統(tǒng)得到大幅度提高，已成為航空器大家庭中的重要一員。系留氣球是屬于輕于空氣的航空器，可根據(jù)任務(wù)的需求將相應(yīng)的電子設(shè)備升至指定的高度，目前已在雷達(dá)預(yù)警、對(duì)地觀測(cè)、電子對(duì)抗、遠(yuǎn)程通信中繼、氣象觀測(cè)、霧霾立體監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

系留氣球的工作場(chǎng)所主要集中在空曠的野外，在升空、滯空、回收和地面系留時(shí)，很容易遭遇雷擊。雷電巨大的破壞力可能對(duì)系留氣球的電子電氣設(shè)備造成損毀，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常，甚至在空中失控脫系，嚴(yán)重威脅操作人員的生命安全。為適應(yīng)各種地理?xiàng)l件和環(huán)境氣候的作戰(zhàn)使用要求，保障人身安全和設(shè)備安全，系留氣球的雷電安全防護(hù)越來越受到重視。本文根據(jù)現(xiàn)有的防雷知識(shí)對(duì)系留氣球的防雷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1? 雷電防護(hù)分析

對(duì)系留氣球進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，必須要首先了解雷電形成的原因和經(jīng)過。

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現(xiàn)象，雷電發(fā)生的瞬間將釋放巨大能量，高大建筑及電子電氣設(shè)備一旦遭遇雷擊，產(chǎn)生高電壓及強(qiáng)電流會(huì)造成高大建筑及電子電氣設(shè)備的毀壞，甚至?xí)l(fā)大火，造成無法估計(jì)的損失[1]。

作為一種重要的空中平臺(tái)，系留氣球在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需攜帶任務(wù)載荷升至到幾千米的高空[2]。在系留氣球滯空期間，不可避免地會(huì)遇到雷擊，這時(shí)球上的各種電子設(shè)備和供電纜繩就變成一個(gè)很好的“引雷裝置”，輕則影響裝置工作，重則可能造成裝置墜毀、報(bào)廢，并可能造成人員傷亡[3]。

系留氣球滯空期間，整個(gè)系統(tǒng)都直接暴露在空氣中，球上任何部位的電子電氣設(shè)備都可能直接或間接地遭遇雷擊損傷，因此整個(gè)防雷系統(tǒng)必須從立體、全方位的，從而避免雷電破壞系留氣球囊體及電子電氣設(shè)備[4]。

為了保證系留氣球囊體和電子電氣設(shè)備免受雷擊損壞，保證系統(tǒng)正常工作，需要從球體、系留纜繩和球載設(shè)備等方面考慮雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。

2? 防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

系留氣球的雷電防護(hù)原理：通過在球體表面布置適當(dāng)?shù)谋芾揍樆虮芾姿鳎估纂姼街诒芾揍樆虮芾姿魃?，通過系留纜繩的金屬網(wǎng)傳至地面設(shè)備的接地回路中，將雷電導(dǎo)入大地，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受雷擊。系留氣球的雷電防護(hù)原理具體見圖1所示[5]。

2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

自然界雷電由天氣決定，人類對(duì)雷電的認(rèn)知是一個(gè)從未知到逐漸認(rèn)知的過程。雷電流幅值（I）大小取決于雷電發(fā)生時(shí)周圍帶電云層的電荷總量，具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)前期大量科研人員統(tǒng)計(jì)的雷電流幅值歷史數(shù)據(jù)，得出我國一般地區(qū)（西北地區(qū)除外）雷電流幅值超過I的概率，計(jì)算公式如下：

（1）

式中：P-雷電流幅值概率;I-雷電流幅值，單位為kA。

雷擊指標(biāo)可參考雷電流幅值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，系留氣球地面系留時(shí)，系留氣球防雷分系統(tǒng)應(yīng)防護(hù)超過99.5%的雷電，系留氣球空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，系留氣球防雷分系統(tǒng)應(yīng)防護(hù)超過90%的雷電，雷擊避雷索斷裂時(shí)，避雷索熔融顆粒不得使囊體產(chǎn)生穿透灼傷。

由上式計(jì)算可得出，雷電流幅值為30kA、88kA、100kA、150kA、200kA時(shí)，發(fā)生的概率分別為45.6%、10%、7.3%、2.0%、0.5%。

根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用情況，并參考《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》GJB 3567-99，綜合考慮將防雷指標(biāo)按A+C分量進(jìn)行設(shè)計(jì)：30kA的雷擊電流時(shí)能正常工作， 200kA的雷擊電流時(shí)不造成系統(tǒng)毀滅性破壞。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防雷系統(tǒng)主要由球上防雷網(wǎng)和系留纜繩內(nèi)部的金屬網(wǎng)組成，球上防雷網(wǎng)與金屬網(wǎng)上端連接，纜繩內(nèi)部金屬網(wǎng)下端接入大地，將雷電電流直接導(dǎo)入大地，保護(hù)系留氣球不受雷擊。本文將著重對(duì)球上防雷網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

球上防雷網(wǎng)由避雷索、防雷桿和導(dǎo)電裝置等組成，布置在系留氣球球體的周圍，當(dāng)系留氣球處于帶電云團(tuán)中，可以形成法拉第籠等電位方式保護(hù)系留氣球囊體[6]。

防雷桿布置在囊體上表面，用于支撐避雷索，避免避雷索與囊體和球上設(shè)備接觸，防雷桿為絕緣樹脂材料。

避雷索通過固定在球皮上的絕緣支撐（防雷桿），使避雷索與球皮保持一定的距離，形成電荷轉(zhuǎn)移途徑，避免雷電擊中系留氣球及球上設(shè)備。

避雷索的布置越多，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)越可靠，但是這樣會(huì)增加重量和成本。防護(hù)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在保證功能的情況下，選擇最少的布置。以美國TCOM公司生產(chǎn)的32m機(jī)動(dòng)式系留氣球（具體參數(shù)見表1所示）為例，對(duì)系留氣球的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

防雷電系統(tǒng)沿縱軸方向，從系留氣球頭部開始設(shè)置一根縱向避雷索，從系留氣球頂部延伸至系留氣球尾部，并在尾部自由下垂，長度以整流罩最底處水平面為準(zhǔn)。沿系留氣球橫向最大截面處附近，再布置一根橫向避雷索，從左邊中軸經(jīng)過縱軸位置到右邊中軸，該避雷索的兩端分別通過系留拉索連接至系留部件，通過纜繩的避雷層接地。沿頂部中心線布置的縱向避雷線和周向布置的橫向避雷線之間通過跨接線連接，從而保證縱向避雷索也能可靠接地，將避雷索連成避雷網(wǎng)增加屏蔽效果，保護(hù)球體和球上主要設(shè)備?？缃泳€與橫、縱向避雷索的連接方式如圖2所示。

所有避雷索都通過固定在球皮上的防雷桿進(jìn)行支撐，使避雷線與球皮距離1～3m之間。

防雷系統(tǒng)具體布置見圖3所示。

2.3.1 防雷桿

防雷桿設(shè)計(jì)由安裝座、支柱、鋼套環(huán)和安裝支架等組成，具體見圖4所示。

安裝支架用于將避雷索固定在防雷桿上端，使避雷索與囊體表面保持一定的間距。

安裝座安裝在囊體上的蝴蝶結(jié)內(nèi)部，與連接在鋼套環(huán)上的三根強(qiáng)力繩將防雷桿固定在囊體表面，同時(shí)防雷桿垂直囊體表面，使避雷索與囊體表面之間的距離盡可能大。具體連接形式見圖5所示。

支柱的材料選用環(huán)氧玻璃布管，該材料具有耐高溫、絕緣性能好、力學(xué)性能好、擊穿強(qiáng)度高及良好的機(jī)械加工性特點(diǎn)，適合在野外及潮濕的室外環(huán)境條件下使用。

支柱的長度直接決定避雷索和囊體之間的間距，從而決定避雷索形成的雷電防護(hù)區(qū)范圍大小。為了保護(hù)囊體和安裝在囊體上的所有設(shè)備，如? 風(fēng)機(jī)、閥門、測(cè)控系統(tǒng)等，避雷索形成的雷電防護(hù)區(qū)必須覆蓋整個(gè)囊體，由于囊體的橫向截面積大小不同，因此各個(gè)支撐點(diǎn)的防雷桿長度要求也不同。各點(diǎn)防雷桿的最小長度計(jì)算公式如下：

（2）

其中 ：R-氣球主囊體半徑。

由上述公式可以得出囊體最大截面處的支撐點(diǎn)高度值最大，即防雷桿長度最長，為：

2.3.2 避雷索

避雷索布置在囊體上表面，作為雷電電荷的轉(zhuǎn)移途徑，避雷索可能遭受雷電電流的焦耳熱、電磁力、電弧注入及沖擊波各種效應(yīng)，需分別計(jì)算，綜合考慮避雷索材料，選擇合理的導(dǎo)體截面積[7]。

綜合比較鋁、鋼和銅3種常用的金屬材料，具體參數(shù)見表2所示，從材料的質(zhì)量熱容、質(zhì)量密度和熔點(diǎn)3個(gè)方面進(jìn)行分析比較，考慮到野外的環(huán)境要求，最終將避雷索的材料優(yōu)選為不銹鋼材料。

避雷索遭受雷擊時(shí)，雷電產(chǎn)生的電流通過避雷索時(shí)，電流非常大，會(huì)導(dǎo)致避雷索的溫度急劇升高。設(shè)雷電電流通過導(dǎo)體發(fā)出的熱量為Q發(fā)，Q發(fā)=I2Rt=ρI2Lt/s。避雷索吸收的熱量為Q吸

則Q發(fā)=Q吸

簡(jiǎn)化上式后得：

（3）

式中：

S-避雷索截面積

I-雷擊電流

Ρ-避雷索電阻率

t-雷擊電流通過的時(shí)間

c-避雷索的熱容量

d-避雷索的比重

△T-避雷索的溫升。

根據(jù)《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》（GJB 3567-99）中的雷電試驗(yàn)電流波形，此波形模擬了自然雷擊放電過程的電流特性。取I2t為6.25×104A2s。鋼性能參數(shù)表如表3所示。

根據(jù)表3的各項(xiàng)參數(shù)，可計(jì)算出不同截面積的鋼絲繩相對(duì)應(yīng)的溫升變化（如表4所示），綜合考慮避雷索的強(qiáng)度和重量等要求，將避雷索的截面選擇為6mm2。

3? 縮比模型的雷電防護(hù)試驗(yàn)

雷電防護(hù)試驗(yàn)主要是模擬系留氣球在雷擊區(qū)遭受雷擊的過程，檢測(cè)雷擊區(qū)的球體及球上電子電氣設(shè)備等受到雷電損壞的可能性，確定金屬或?qū)щ姴牧侠纂姼街奈恢茫瑥亩M(jìn)一步確認(rèn)避雷索布置的高度和范圍能否吸引雷電引向自身而避免擊向球體表面及球上電子電氣設(shè)備，來評(píng)估避雷索布置的合理性[8]。

根據(jù)國內(nèi)外對(duì)雷電防護(hù)試驗(yàn)的研究進(jìn)展，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，取H/h=10-20值時(shí)，選擇雷電模擬先導(dǎo)高度H為100～200cm，模擬避雷索高度h=280～450/20=14.0～22.5cm，制作一縮比球，其尺寸為實(shí)際球體的1/10。試驗(yàn)前主氣囊充氦氣，尾翼充空氣，整流罩內(nèi)放入任務(wù)設(shè)備縮比骨架。布置好避雷索、支撐和傳感器引線等，詳見圖6。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：氣球囊體及球載設(shè)備未見任何損傷，電子設(shè)備工作正常。

可見采用本文提出的避雷網(wǎng)方案，當(dāng)系留氣球在地面駐留狀態(tài)和滯空狀態(tài)下遭遇雷擊時(shí)，可以使雷電有效附著到避雷索上，從而對(duì)氣球形成有效的雷電防護(hù)。如圖7所示。

4? 結(jié)語

本文通過分析高空系留氣球系統(tǒng)在外場(chǎng)使用的惡劣環(huán)境，針對(duì)雷電可能其造成損傷的可能性，提出了一種利用防雷桿、避雷索和導(dǎo)電裝置在系留氣球外圍形成法拉第籠等電位的防雷設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)際縮比模型的雷電防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性。

但系留氣球的雷電防護(hù)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程，本文所提的防雷設(shè)計(jì)方案還需在以后的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行不斷的驗(yàn)證和改進(jìn)。同時(shí)從安全角度考慮，系留氣球在外場(chǎng)使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)盡量規(guī)避雷暴天氣升空。

參考文獻(xiàn)

[1] 朝魯.探析雷電的形成、危害及現(xiàn)代防雷技術(shù)[J].農(nóng)家參謀，2019（22）：164.

[2] 譚百賀.機(jī)動(dòng)式系留氣球飛行過程模擬[J].科技視界，2020（24）：41-43.

[3] 李洋旻.系留氣球用系留纜繩防雷技術(shù)的探討[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2017（2）：18-21.

[4] 曹劍坤，陳中.系留氣球的球載設(shè)備雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)方法[J].科技視界，2019（10）：48-50.

[5] 蔣戎林.雷電防護(hù)原理、技術(shù)及實(shí)例探討[J].四川氣象，2002（3）：58-60.

[6] 盧芳春.系留氣球球體結(jié)構(gòu)獨(dú)立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].工程與試驗(yàn)，2021，61（1）：59-60.

[7] 孫健.浮空器用輕質(zhì)等離子體傳導(dǎo)式避雷索的雷電防護(hù)特性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[8] 王春雷.國外整機(jī)雷電試驗(yàn)系統(tǒng)綜述[J].環(huán)境技術(shù)，2019（6）：185-189.