耿德華 蔣鵬程

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

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系留氣球結(jié)冰探測方法

耿德華 蔣鵬程

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 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)用越來越廣泛，對結(jié)冰探測的要求也越來越高。本文通過對系留氣球產(chǎn)品的簡介、結(jié)冰危害、結(jié)冰探測需求等方面出發(fā)，提出了利用現(xiàn)有飛機用結(jié)冰信號器來解決系留氣球結(jié)冰探測問題的方法，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；結(jié)冰信號器；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，并用纜繩進行固定的浮空器，可以實現(xiàn)空中定高度長時間地駐留。

國外在軍事領(lǐng)域?qū)ο盗魵馇虻膽?yīng)用非常多，典型的有美國的陣地式系留氣球載雷達預警系統(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）、快速部署浮空器預警系統(tǒng)（Rapid Aerostat Initial Deployment，RAID）、快速空中浮空器平臺系統(tǒng)（Rapidly Elevated Aerostat Platform，REAP）、持續(xù)威脅探測系統(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”車載移動式系留氣球、“PUMA”和“JAGUAR”大型系留氣球、“DAG-2M”傘兵訓練型系留氣球等。

根據(jù)公開的資料統(tǒng)計，20世紀80年代后，國外總共約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、預警探測、通信中繼和傘兵訓練等用途。偵察監(jiān)視和預警探測是國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

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

飛機結(jié)冰的危害，主要是改變飛機的氣動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，和堅硬冰塊對囊體材料的損傷。其余因結(jié)冰導致的外部設(shè)備故障，系留氣球與飛機類似。

3. 結(jié)冰探測技術(shù)現(xiàn)狀

當前，國內(nèi)對浮空器的結(jié)冰探測研究極少，主要還是集中在飛機結(jié)冰探測上，依靠結(jié)冰信號器對結(jié)冰狀況進行感知。

結(jié)冰信號器根據(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，飛機的結(jié)冰探測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具有一系列已經(jīng)成熟完善的產(chǎn)品，對新技術(shù)的研發(fā)也比較活躍。

4. 系留氣球結(jié)冰探測要求

飛機結(jié)冰信號器的要求是反應(yīng)靈敏，能夠?qū)O薄的結(jié)冰現(xiàn)象進行感知，同時要求預警時間快速，兼具冰型判斷能力。但對于系留氣球而言，由于結(jié)冰的危害形式與飛機截然不同，對結(jié)冰探測的要求也有明顯的區(qū)別。

系留氣球?qū)τ诮Y(jié)冰探測要求如下：

（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；

（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)冰的嚴重程度。

5. 結(jié)冰信號器在系留氣球上的安裝位置

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

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

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

6. 結(jié)冰厚度累計功能的實現(xiàn)

6.1 實現(xiàn)原理

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

在當前結(jié)冰信號器無法探測大厚度冰層的限制條件下，采用軟件次數(shù)累計計算進行結(jié)冰厚度預估。即結(jié)冰信號器報警后，自動融冰，軟件記錄一次報警，重復報警后，記錄報警次數(shù)、間隔時間、周邊環(huán)境，利用統(tǒng)計次數(shù)判斷結(jié)冰程度。

6.2 結(jié)冰報警驗證試驗

為驗證結(jié)冰報警次數(shù)與結(jié)冰程度之間的對應(yīng)關(guān)系，在氣候?qū)嶒炇议_展結(jié)冰驗證實驗。

在氣候?qū)嶒炇抑校{(diào)節(jié)風速為9m/s～10m/s，水含量為0.6g/s～0.8g/s，粒子直徑20μm。試驗件包括結(jié)冰信號器、系留氣球尾翼縮比模型、球上索具及囊體材料平板。

試驗過程中照片如圖6所示。

試驗過程中，采用的結(jié)冰信號器報警閾值為結(jié)冰厚度0.5mm，融冰時間10s。

6.3 試驗結(jié)論

經(jīng)過持續(xù)時間不同、風速不同、含水量不同的數(shù)次試驗后，結(jié)果表明：

（a）系留氣球不同部件在相同的持續(xù)時間、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，可以通過結(jié)冰信號器的報警次數(shù)進行時間對應(yīng)，進而通過時間與結(jié)冰厚度之間的曲線判斷實際結(jié)冰厚度。

結(jié)論

對于系留氣球產(chǎn)品而言，當前階段可采用飛機用的結(jié)冰信號器進行結(jié)冰探測，但其位置需根據(jù)實際球體的外形和尺寸進行確定，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)冰探測要求與飛機區(qū)別較大，對于關(guān)鍵的結(jié)冰程度判斷，是可以通過結(jié)冰信號器報警次數(shù)與時間—結(jié)冰厚度曲線的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)的。但在實際應(yīng)用中，由于結(jié)冰環(huán)境時刻在發(fā)生改變，需要更加復雜的公式進行實際模擬。

隨著系留氣球類浮空器產(chǎn)品應(yīng)用的推廣，對該類產(chǎn)品結(jié)冰探測的需求會越來越多，其產(chǎn)品的前景及應(yīng)用技術(shù)的需求會越來越廣闊。

參考文獻

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

中圖分類號：V351

文獻標識碼：A