梁小玲，盧芳春

（1.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；2.空軍裝備部駐荊州地區(qū)軍事代表室，湖北 荊州 434000）

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影響，適合搭載各種通訊、干擾、偵察、探測(cè)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)偵察監(jiān)視、預(yù)警探測(cè)、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[1-2]。

系留氣球在軍、民用領(lǐng)域有諸多的好處，但其使用卻受到多因素的干擾，尤其以氣象環(huán)境影響為巨[1]。為此，文中著重分析了氣象環(huán)境對(duì)系留氣球的影響，得出球庫(kù)對(duì)系留氣球的必要性。

1 氣象環(huán)境對(duì)系留氣球的影響

系留氣球如果沒(méi)有球庫(kù)，長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境中，氣象環(huán)境（主要指大風(fēng)、冰雪、雷電）對(duì)系留氣球的穩(wěn)定性、安全性都會(huì)造成極大的影響。

1.1 大風(fēng)

風(fēng)場(chǎng)對(duì)系留氣球影響主要在于對(duì)系留氣球性能、載荷、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度方面產(chǎn)生影響[1]。在風(fēng)向穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)條件下，系留氣球地面錨泊的抗風(fēng)能力很強(qiáng)，也比較安全，但自然風(fēng)場(chǎng)為非定常風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)向千變?nèi)f化。當(dāng)系留氣球地面錨泊時(shí)，地面大風(fēng)一方面會(huì)給球體造成很大的載荷壓力，球體材料和結(jié)構(gòu)件更容易受損。另一方面，當(dāng)風(fēng)向變化率超過(guò)設(shè)計(jì)要求時(shí)，系留氣球隨風(fēng)順槳能力變差，會(huì)使球體扭曲，甚至局部破裂，造成球體漏氣甚至逃逸。

持續(xù)的大風(fēng)天氣下，當(dāng)系留氣球需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，人員根本無(wú)法靠近。當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速過(guò)大，導(dǎo)致球體地面錨泊不穩(wěn)定時(shí)，有時(shí)需要人力進(jìn)行拉拽，對(duì)工作人員的安全造成一定的影響。特別是，如果系留氣球處于沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)季節(jié)時(shí)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的情況，需要經(jīng)常進(jìn)行架設(shè)撤收。另外，臺(tái)風(fēng)刮起的硬質(zhì)物體有可能造成球體損傷，從而造成災(zāi)難性后果。

1.2 降水

降水的種類有很多，對(duì)系留氣球影響較大的主要是降雪和凍雨。

持續(xù)性降雪或短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雪，會(huì)造成系留氣球頂部和平尾大量積雪。如果在北方空氣濕度較小的條件下，可以把系留氣球升空放到空中吹雪，但如果處于濕度適宜的條件下，積雪會(huì)凍住。凍雨是指過(guò)冷水滴在下降到地表后，與溫度低于 0 ℃的物體相遇發(fā)生凍結(jié)的一種降水。凍雨是一種嚴(yán)重的高影響災(zāi)害性天氣[1]，有很強(qiáng)的黏性，冰層會(huì)越來(lái)越厚。

冰、雪積聚在球體的表面，會(huì)增加氣球質(zhì)量，使浮力減小，同時(shí)也會(huì)破壞氣動(dòng)外形。在空中，系留氣球姿態(tài)和飛行穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致氣球飛行阻力增加，氣球穩(wěn)定性下降，對(duì)氣球飛行安全構(gòu)成隱患。地面錨泊時(shí)，沒(méi)有及時(shí)除冰雪的情況下會(huì)導(dǎo)致整流罩、平尾和地面刮擦，損壞整流罩、尾翼以及罩內(nèi)設(shè)備，更嚴(yán)重的情況下會(huì)把球體壓垮。

1.3 雷電

我國(guó)疆域廣闊，氣候復(fù)雜多樣，每年的春夏兩季是雷電多發(fā)的時(shí)期，尤其是南方地區(qū)。雷電是自然界中電磁干擾最強(qiáng)的一種放電現(xiàn)象，體積較大的軍事裝備、軍用飛機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、通信系統(tǒng)、電子設(shè)備、儀器儀表、國(guó)防電纜等都易遭受雷電的襲擊[1]。中國(guó)閃電密度東部比西部高，南部比北部高，沿海陸地區(qū)比內(nèi)陸區(qū)高，陸地比海區(qū)高。中國(guó)閃電高密度區(qū)相對(duì)較集中，主要出現(xiàn)在 32°~37°N，114°~124°E 和20°~5°N，100°~115°E 區(qū)，年均每經(jīng)緯度的閃電密度高達(dá) 200 次以上。特別是位于 32°~37°N，114°~124°E內(nèi)的江蘇安徽北部和山東交界黃海的陸地區(qū)，年均閃電密度高達(dá)近300次[2]。

雷電對(duì)系留氣球系統(tǒng)的損傷是全方位的。在雷電的直接效應(yīng)[3]和間接效應(yīng)作用下，球體、球載設(shè)備、系留纜繩，直至地面設(shè)備和人員，都可能直接或間接地遭遇雷電損傷。當(dāng)雷雨大風(fēng)天氣系留氣球出現(xiàn)緊急狀況，地面工作人員走出艙外維護(hù)時(shí)，雷擊產(chǎn)生的跨步電壓可能會(huì)對(duì)其造成傷害。

2 各種氣象環(huán)境帶來(lái)的后果

在各種對(duì)系留氣球不利的氣象條件影響下，帶來(lái)的主要影響有：使用可用度下降、球體壽命變短、氦氣滲透率增加等。

2.1 使用可用度下降

可用性是產(chǎn)品在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度，可用性的概率度量稱可用度[2]。GJB 451A—2005 給出的使用可用度定義是：“與能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間有關(guān)的一種可用性參數(shù)?！逼渲幸环N度量方法為：產(chǎn)品的能工作時(shí)間：能工作時(shí)間+不能工作時(shí)間[2]。時(shí)間圖解如圖1所示。

圖1 時(shí)間圖解

一旦系留氣球碰到上述各種影響工作的天氣，輕則需要地面錨泊規(guī)避，重則需要回收氣球，中間會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。尤其是在臺(tái)風(fēng)季，出現(xiàn)預(yù)報(bào)大風(fēng)，撤收氣球，大風(fēng)過(guò)后，架設(shè)氣球，如此循環(huán)的情況，如圖2所示。這些時(shí)間都屬于不能工作時(shí)間，由此嚴(yán)重影響到系留氣球的使用可用度。

圖2 臺(tái)風(fēng)季節(jié)系留氣球工作圖

2.2 球體壽命變短

系留氣球一般使用層壓材料，由柔性的復(fù)合纖維制成的承力層、聚酯薄膜制成的阻氣層和聚氟乙烯制成的防老化層等組成。整個(gè)材料很薄，雖然抗拉強(qiáng)度很強(qiáng)，但如果沒(méi)有球庫(kù)，遇到緊急狀況時(shí)，只能回收折疊打包入庫(kù)。氣囊經(jīng)常反復(fù)折疊、拖拽會(huì)使以織物為基底的囊體材料局部應(yīng)力過(guò)大，造成局部微孔損傷，由此導(dǎo)致囊體材料的封閉型損傷。同時(shí)在折疊過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致囊體材料的磨損，造成囊體材料表面型損傷和降解。封閉型損傷模式和表面型損傷模式如圖3所示。

圖3 材料損傷模式

2.3 氦氣滲透率增加

囊體材料的氦氣滲透率會(huì)隨著上述裂紋密度的變大而增加。對(duì)于封閉型損傷，當(dāng)裂紋深度為結(jié)構(gòu)總厚的10%、20%、50%時(shí)，囊體材料氦氣滲透率隨裂紋密度的變化曲線如圖4所示。

圖4 封閉型損傷囊體材料氦氣滲透率隨裂紋密度變化曲線

對(duì)于表面型損傷，當(dāng)裂紋深度為結(jié)構(gòu)總厚度的5%、10%、20%時(shí)，囊體材料氦氣滲透率隨裂紋密度的變化曲線如圖5示。

從圖4、圖5可以看出，氦氣滲透率隨裂紋密度的增大而增加。氦氣的市場(chǎng)價(jià)格逐年增加，增加了系留氣球使用時(shí)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且頻繁折疊對(duì)人力、物力都將是一種考驗(yàn)，特別是大型系留氣球。

3 球庫(kù)建造

3.1 技術(shù)可行性

圖5 表面型損傷囊體材料氦氣滲透率隨裂紋密度變化曲線

縱觀目前各大系留氣球生產(chǎn)企業(yè)，均有生產(chǎn)制造和檢查維護(hù)用的廠房，各種工業(yè)廠房、機(jī)庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)等建筑，都具有大尺寸、大跨度的特點(diǎn)，所以從球庫(kù)建造的技術(shù)是可行的。這些建筑的抗風(fēng)、防降水和雷電的能力也相當(dāng)強(qiáng)，足以面對(duì)目前的惡劣天氣條件。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

各種工業(yè)廠房、機(jī)庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)等建筑基本都是采用鋼骨架構(gòu)建造球庫(kù)，建造方式相當(dāng)成熟，建造費(fèi)用也比較低。另外建造的球庫(kù)不一定需要密閉結(jié)構(gòu)，那就不需要建造大門，可以節(jié)約一大筆的費(fèi)用，相對(duì)比較便宜。

3.3 必要性

建造球庫(kù)不存在技術(shù)性問(wèn)題，費(fèi)用也不是很高。當(dāng)有了球庫(kù)后，球庫(kù)可以給系留氣球遮風(fēng)、擋水、避雷，避免系留氣球受到損傷，可以明顯降低系留氣球遭遇災(zāi)害天氣受損的概率。同時(shí)通過(guò)軌道或者頂蓋等形式，在災(zāi)害天氣過(guò)后，系留氣球可以直接使用，不用頻繁地架設(shè)撤收，增加了系留氣球的使用可用度，節(jié)省了大量的經(jīng)費(fèi)，更是可以減少對(duì)球體的損傷。另外，系留氣球在球庫(kù)中檢查維修，可以不受氣象條件限制，確保了安全性。

綜上可知，對(duì)執(zhí)行特定任務(wù)和長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)運(yùn)行的系留氣球系統(tǒng)，完全有必要給系留氣球建造一個(gè)球庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

系留氣球面臨著復(fù)雜的氣象環(huán)境，此外，氣囊囊體材料還要經(jīng)受高低溫、紫外線輻射、日光老化、酸雨及潮濕環(huán)境、臭氧氧化的影響，在室外暴露時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越容易下降，對(duì)囊體材料的壽命和使用可用度的影響也就越大。同時(shí)在特殊惡劣天氣條件下，對(duì)系留氣球、地面設(shè)備甚至工作人員的安全都會(huì)造成影響。建設(shè)球庫(kù)，能使系留氣球有效規(guī)避惡劣天氣，提高系留氣球的可用度和壽命，減少氦氣滲透率，保護(hù)設(shè)備和工作人員的安全。當(dāng)然，也不是所有的系留氣球都需要球庫(kù)，這要根據(jù)系留氣球的實(shí)際用途和使用特點(diǎn)而定。