系留氣球雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著系留氣球設(shè)計(jì)技術(shù)的逐漸成熟，出于安全性、可靠性考慮，系留氣球防雷設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。根據(jù)國(guó)內(nèi)系列系留氣球的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系留氣球的常規(guī)防雷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)，以作為防雷設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：系留氣球；防雷；系留纜繩；地面設(shè)施

1 概述

系留氣球作為一種浮空器，通過(guò)氣囊內(nèi)部充灌升力氣體（氫氣或氦氣），使得空氣浮力（靜升力）超過(guò)自身重力，從而升空工作，升空以后被系留纜繩約束在固定區(qū)域。一般工作在海拔4000米以下的空中，高空中氣象環(huán)境比較復(fù)雜，系留氣球系統(tǒng)停留在高空，遇到惡劣天氣，遭受雷擊的概率比較高?？煽康南盗魵馇蛳到y(tǒng)防雷保護(hù)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。

2 系留氣球防雷要求

2.1 常規(guī)系留氣球組成

系留氣球一般由升空部分（球體）、系留纜繩和地面系留設(shè)施組成。

升空工作時(shí)，球體通過(guò)系留纜繩與地面系留設(shè)施連接，定點(diǎn)停留在空中某一區(qū)域內(nèi)。（如圖1）

2.2 系留氣球防雷要求

系留氣球的防雷設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性工程。對(duì)于系留氣球，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮4個(gè)部分：（1）雷電附著防護(hù)設(shè)計(jì)；（2）雷電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)；（3）雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)；（4）地面設(shè)備及人員安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

文章主要探討系留氣球的雷電附著防護(hù)設(shè)計(jì)、雷電直接效應(yīng)防護(hù)和地面設(shè)備及人員安全防護(hù)設(shè)計(jì)，雷電間接效應(yīng)防護(hù)主要通過(guò)對(duì)設(shè)備和接口進(jìn)行二次防雷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

參照系留氣球的組成部分，整套系統(tǒng)的防雷需要從3個(gè)部分考慮：球體、系留纜繩、地面系留設(shè)施。

2.3 系留氣球防雷設(shè)計(jì)依據(jù)

系留氣球雷電防護(hù)沒(méi)有專(zhuān)用的參照標(biāo)準(zhǔn)。因同時(shí)具備升空設(shè)備和地面設(shè)備，在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，可以借鑒飛機(jī)雷電防護(hù)和地面建筑物雷電防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，常用的主要有：

（1）國(guó)標(biāo)：GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》；（2）國(guó)軍標(biāo)：GJB 3567-1999《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》；（3）IEC關(guān)于地面建筑雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 球體防雷設(shè)計(jì)

3.1 球體在空中年遭雷擊次數(shù)估算

3.1.1 估算方法

球體在空中遭雷擊的次數(shù)n主要由環(huán)境因素、雷擊有效面積和時(shí)間系數(shù)決定?？赏ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算：

n=N·K·S （1）

式中：N為環(huán)境因素；K為時(shí)間系數(shù)；S為雷擊有效面積。

3.1.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素N反映的是系留氣球所在地雷電發(fā)生頻率。這一因素通常用該地區(qū)單位面積上年平均遭雷擊次數(shù)來(lái)表示。對(duì)在空中的飛行器來(lái)說(shuō)，雷擊次數(shù)n是由一年中“云-地”雷電雷擊總次數(shù)n云地、云間和云內(nèi)雷電的雷擊總次數(shù)n云云累加得到的。

由于系留氣球工作高度一般在4000米以下，所以通常只考慮“云-地”雷電雷擊總次數(shù)n云地。n云地與系留氣球工作所在地的雷擊天數(shù)D天或雷擊時(shí)數(shù)D時(shí)有關(guān)，兩者的關(guān)系式為D時(shí)=（2～3）·D天。D天和n云地之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 一年中“云-地”雷電雷擊總次數(shù)與雷擊天數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.1.3 時(shí)間系數(shù)

時(shí)間系數(shù)K表示系留氣球的使用率，計(jì)算公式為：

K=T滯空/T年 （2）

式中：T滯空為一年內(nèi)氣球滯留在空中的時(shí)間；T年為一年的總時(shí)間

3.1.4 雷擊有效面積

雷擊有效面積S取決于物體的幾何和結(jié)構(gòu)特征。雷擊有效面積可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

S=100·L2 （3）

式中：L為系留氣球的最大尺寸，一般指系留氣球的總長(zhǎng)。

3.2 防雷形式的選擇

系留氣球雖然也是一種飛行器，但與一般飛機(jī)完全不同。一般飛機(jī)都是全金屬外殼，且具備大量金屬骨架，具備理想的雷電防護(hù)條件，只要通過(guò)一些不太復(fù)雜的設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)雷電流的泄放。當(dāng)飛機(jī)遭遇雷電時(shí)，雷電流從一個(gè)尖端進(jìn)入后，能快速?gòu)牧硪粋€(gè)尖端泄放，其金屬骨架和外殼不但能夠承受強(qiáng)大雷電流沖擊，還能起到屏蔽作用，保護(hù)飛機(jī)內(nèi)部的設(shè)備不受雷電流的電磁感應(yīng)干擾。而系留氣球的球體一般采用纖維材料，不具備導(dǎo)電性，防雷設(shè)計(jì)時(shí)就不能沿用飛機(jī)防雷的設(shè)計(jì)方法。

當(dāng)系留氣球的尺寸較小時(shí)，可以考慮采用避雷針的方式進(jìn)行雷電防護(hù)，但是目前國(guó)內(nèi)外具備長(zhǎng)時(shí)間留空能力的系留氣球產(chǎn)品中，都是體積和尺寸偏大，采用避雷針的防護(hù)方式很難對(duì)整個(gè)球體覆蓋完全，所以對(duì)常規(guī)系留氣球進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮球體尺寸、材料與防雷裝置的布置安裝。參照建筑物的防雷設(shè)計(jì)原理，選擇籠式避雷網(wǎng)對(duì)整個(gè)球體進(jìn)行雷電保護(hù)比較合適。采用籠式避雷網(wǎng)主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）雷電防護(hù)范圍可以對(duì)系留氣球產(chǎn)品全面覆蓋。（2）可以避免球體受到閃電側(cè)擊，雷擊“繞擊”的危險(xiǎn)。采用避雷針、消雷器等方式不具有這種優(yōu)點(diǎn)。（3）可以起到良好的屏蔽作用?；\式避雷網(wǎng)雖然難以完全隔離閃電的脈沖電磁場(chǎng)的侵入，但是能夠非常有效地削弱雷電磁場(chǎng)，對(duì)球載儀器設(shè)備起到了保護(hù)作用。

3.3 防雷設(shè)計(jì)

3.3.1 避雷網(wǎng)的布置

籠式避雷網(wǎng)就是在系留氣球外表設(shè)計(jì)一層金屬網(wǎng)架。由于氣球材料一般不抗雷電，雷電導(dǎo)致避雷網(wǎng)產(chǎn)生過(guò)熱易損壞球皮，此外避雷網(wǎng)熔化物可能導(dǎo)致避雷網(wǎng)與電荷通路的基座接觸從而損壞球皮，所以避雷網(wǎng)不能直接安裝在球皮表面，需使用絕緣支座將避雷網(wǎng)支離球皮表面適當(dāng)距離，距離大小根據(jù)球體大小和防雷電強(qiáng)度進(jìn)行選擇。這樣避雷網(wǎng)可以使來(lái)自氣球上方的雷電先行直接附著，從而保護(hù)暴露在球皮表面的金屬件免于雷電直接附著。

避雷網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要由支座和避雷索組成，球體上布置要求是能使整個(gè)球體處于避雷網(wǎng)的保護(hù)之中。因?yàn)橄盗酎c(diǎn)處匯流環(huán)是一個(gè)現(xiàn)成的避雷裝置，所以避雷網(wǎng)的分布主要考慮球體上部。用于支撐避雷網(wǎng)的支座數(shù)目根據(jù)球體尺寸和其表面張力大小確定。系留氣球防雷設(shè)計(jì)典型布置如圖2所示。

3.3.2 避雷索的設(shè)計(jì)

（1）材料選擇

避雷索材料選擇要求：避雷索由于雷電電流通過(guò)而產(chǎn)生的過(guò)熱與單位能量 i2dt（J/？贅）成比例，過(guò)熱不應(yīng)使其溫度高于極限溫度，避雷索不會(huì)由于過(guò)熱導(dǎo)致其熔化、軟化或失去機(jī)械硬度。

銅、鋼、不銹鋼等材料制成的金屬索都可用做避雷索，選取時(shí)還需綜合考慮其外部使用環(huán)境和機(jī)械性能。建議使用不銹鋼或帶抗腐蝕涂層的鋼作為避雷索。

（2）避雷索直徑的計(jì)算

將導(dǎo)電過(guò)程視為絕緣的，避雷索的橫截面面積必須滿(mǎn)足下式要求：

（4）

式中，？籽為電阻率，單位為？贅·mm2/m； i2dt為單位能量，單位為J/？贅；a為密度，單位為g/cm3；c為比熱容，單位為J/g·K；△T為允許的過(guò)熱度，單位為K。

4 系留纜繩防雷設(shè)計(jì)

4.1 系留纜繩結(jié)構(gòu)形式

系留纜繩是系固氣球和向球載設(shè)備供電的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)拉力、重量、防雷等方面有很高的要求。主要功能有：承受系留載荷、電力傳輸、防雷擊保護(hù)（提供雷電泄放通路）；還可以?xún)?nèi)含光纖提供通信通道。

4.2 系留纜繩年雷擊次數(shù)估算

計(jì)算雷擊纜繩次數(shù)時(shí)也只需考慮“云-地”雷擊。參照公式（1），環(huán)境因素N、時(shí)間因素K的計(jì)算選擇與球體相同，為了計(jì)算雷擊纜繩的有效面積S索，假設(shè)雷擊纜繩集中在邊長(zhǎng)為A和B的長(zhǎng)方形面積上。

S索=A·B （5）

式中，邊長(zhǎng)A由纜繩長(zhǎng)度和氣球工作高度決定；邊長(zhǎng)B等于氣球最大半徑的100倍。

代入公式（1），就可估算出系留纜繩年雷擊次數(shù)。

4.3 系留纜繩泄雷設(shè)計(jì)

一般系留纜繩都將雷電泄放線設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其截面積大小根據(jù)防雷要求、雷電泄放線材料特性和系留纜繩允許過(guò)熱可以計(jì)算得到。

雷擊系留纜繩時(shí)，由于電流經(jīng)過(guò)雷電泄放線會(huì)引起過(guò)熱，雷擊處雷電泄放線將被侵蝕，過(guò)熱取決于單位能量：

（6）

式中，im為雷電電流；tm為電流持續(xù)時(shí)間。

參照雷電泄放線材料特性和系留纜繩允許過(guò)熱，即可計(jì)算出最小截面積要求。

5 地面系留設(shè)施防雷設(shè)計(jì)

地面設(shè)施防雷設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，就是需要做好接地設(shè)施，主要注意事項(xiàng)如下：

（1）建立良好的接地系統(tǒng)，使接地電阻盡量小，地電位衰減盡量平坦。

（2）雷電泄放線必須經(jīng)電纜絞盤(pán)良好接地，中間不允許有任何斷裂和縫隙。

（3）地面工作艙必須是金屬外殼，并良好接地，形成法拉第屏蔽，使艙內(nèi)電位為零，保證工作人員安全。

（4）雷雨天氣工作人員必須呆在工作艙內(nèi)。如必須走出艙外，則應(yīng)注意雷擊時(shí)跨步電壓的傷害，尤其不允許站在地面上而手卻接觸到車(chē)上已接地的金屬體，必要時(shí)可在艙外鋪設(shè)金屬板形成等電位通道。

6 結(jié)束語(yǔ)

系留氣球的雷電防護(hù)系統(tǒng)用來(lái)接收雷電并通過(guò)系留纜繩的泄雷網(wǎng)將其傳遞到地面系留設(shè)施的接地回路中，以保證球體和纜繩結(jié)構(gòu)免受損傷，保證球上設(shè)備和地面設(shè)備的正常工作。此外，它還起到保護(hù)氣球系統(tǒng)免受靜電影響的作用。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，對(duì)實(shí)際情況加以分析、計(jì)算，基本上可以為所設(shè)計(jì)的系留氣球設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足使用要求的雷電防護(hù)系統(tǒng)。

同時(shí)，由于雷電具有很大的不確定性，從安全性考慮，應(yīng)盡量避免設(shè)備遭受雷擊，在系留氣球的使用過(guò)程中，可以通過(guò)氣象預(yù)報(bào)避免在雷暴天氣升空、地面采用避雷塔保護(hù)等措施，降低設(shè)備遭受雷擊概率。

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作者簡(jiǎn)介：毛偉文，男，畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦】掌骺傮w設(shè)計(jì)。