系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)空中結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

張志富

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心，合肥 230088)

圖1系留氣球空中結(jié)構(gòu)示意圖

系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)利于系留氣球?qū)⒗走_(dá)載荷升空到一定高度，降低地球曲率的影響，增大雷達(dá)視距，實(shí)現(xiàn)低空預(yù)警，是預(yù)警機(jī)和地面低空探測(cè)網(wǎng)的有效補(bǔ)充[1]。按照空間位置，系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)可分為空中設(shè)備和地面設(shè)備，空中設(shè)備包括球體結(jié)構(gòu)、系留纜繩、測(cè)控分系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、防雷分系統(tǒng)和雷達(dá)球上設(shè)備。地面設(shè)備包括地面系留設(shè)施、纜繩收放設(shè)施、地面顯控設(shè)備、氦氣保障設(shè)備、移動(dòng)電站、氣象保障設(shè)備等。球體結(jié)構(gòu)一般包括囊體(氦氣囊、空氣囊、尾翼、整流罩)、頭錐、拉索、設(shè)備掛架等。典型的系留氣球空中結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要討論空中部分的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。

1 球載雷達(dá)

雷達(dá)是整個(gè)系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)，分為球上設(shè)備和地面設(shè)備。

球上設(shè)備安裝在整流罩內(nèi)，主要包含天饋線、穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號(hào)處理及終端、監(jiān)控分系統(tǒng)、通訊分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、詢問機(jī)、電子設(shè)備機(jī)架和維修平臺(tái)等。由于氣球的升空高度和所攜帶的有效載荷能力是有限的，而且受整流罩的外形尺寸、球上供電和安裝維護(hù)等因素限制，雷達(dá)系統(tǒng)球上設(shè)備在滿足系統(tǒng)性能要求條件下要盡量做到輕型化、小型化和模塊化。為了減少尺寸和重量，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，通常把各分系統(tǒng)電子設(shè)備和天線緊湊地集成在一個(gè)電子機(jī)架上，電子機(jī)架通過穩(wěn)定平臺(tái)掛載系統(tǒng)設(shè)備掛架上，借助穩(wěn)定平臺(tái)來減少系留氣球自身運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)穩(wěn)定性的影響[2]。典型的雷達(dá)球上設(shè)備如圖2所示，該雷達(dá)為洛克希德·馬丁公司研制的L-88型雷達(dá)。

地面設(shè)備主要包含顯控臺(tái)和設(shè)備機(jī)柜，一般安放在地面控制中心或情報(bào)方艙內(nèi)。

圖2 典型的雷達(dá)球上設(shè)備

2 囊體

囊體是系留氣球產(chǎn)生浮力的主要部件，成水滴狀或紡錘體，內(nèi)部用薄膜材料將囊體隔成兩個(gè)部分，上部為氦氣囊，下部為副氣囊。氦氣囊內(nèi)充入99%的氦氣，副氣囊充入空氣。尾翼布置在囊體的后部，呈倒“Y”型，對(duì)系留氣球起穩(wěn)定作用。整流罩布置在囊體下部，用于保護(hù)雷達(dá)球上設(shè)備和球載電子設(shè)備。

主氣囊是系留氣球的主要部分。當(dāng)一個(gè)系留氣球主氣囊形狀及尺寸確定之后，就要對(duì)主氣囊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主氣囊依靠?jī)?nèi)部氣體壓力保持外形，同時(shí)又要攜帶外部載荷，在內(nèi)部和外部載荷雙重作用下，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。首先對(duì)主氣囊材料進(jìn)行經(jīng)緯向的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度測(cè)試，再進(jìn)一步結(jié)合主氣囊材料的熱合特性，確定主氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的材料及其結(jié)構(gòu)形狀。一般情況下，為了充分利用主氣囊材料，主氣囊周向方向分為若干條幅，每個(gè)條幅再由若干個(gè)片幅組成。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[3]，大型囊體分為16個(gè)條幅比較合理，每個(gè)條幅的最大寬度B=π·D/16(D-主氣囊最大直徑)，每個(gè)條幅的片數(shù)可根據(jù)囊體材料的供貨寬度確定。目前囊體材料一般的供貨寬度約為1400mm，所以每個(gè)條幅的片幅約為N=L/1400(L-每個(gè)條幅的最大長(zhǎng)度)。

副氣囊的作用是為了在不排放氣囊內(nèi)浮升氣球的條件下，通過排除(充入)空氣改變副氣囊的容積，以保持囊體內(nèi)外壓差在一定范圍，進(jìn)而保持囊體的結(jié)構(gòu)形狀和剛度要求。副氣囊是通過隔層在囊體內(nèi)部隔出的一個(gè)空氣室，通常位于囊體底部。副氣囊的大小取決于系留氣球要升空的最大高度和當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境溫度。有代表性的是，雖然系留氣球處于最大高度時(shí)，必須確保副氣囊在設(shè)計(jì)時(shí)完全無損傷彎曲，最大容積仍可以占囊體總體的25%～40%[4]。

尾翼是保證系留氣球自穩(wěn)定性和對(duì)風(fēng)特性的主要部件， 易正清[5]對(duì)尾翼參數(shù)的選擇進(jìn)行了探討：(1)系留氣球尾翼翼型可選擇一些相對(duì)厚度較大的低速對(duì)稱翼型；(2)在保證尾翼氣承剛度和加工工藝可實(shí)現(xiàn)及尾翼重量分配允許的前提下，盡可能選擇相對(duì)厚度較小、較大的展弦比和后掠角的翼型；(3)為了有效減小主氣囊對(duì)尾翼的屏蔽作用，可選取中等的梢根比，約1/3～1/2為佳。典型的尾翼結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

3 剛?cè)狁詈显O(shè)計(jì)

剛?cè)狁詈显O(shè)計(jì)就是將一些金屬硬式結(jié)構(gòu)設(shè)備與囊體連接的設(shè)計(jì)。安裝在囊體上的設(shè)備主要包括壓力調(diào)節(jié)的設(shè)備、系留結(jié)構(gòu)設(shè)備、電子設(shè)備等。壓力調(diào)節(jié)設(shè)備有風(fēng)機(jī)、閥門、充氦閥、測(cè)壓管等，這些設(shè)備是直接在囊體上開洞連接在囊體上的，一般采用金屬壓板式安裝方式；系留結(jié)構(gòu)主要包括系留拉索、機(jī)械拉索、交叉拉索、整流罩拉索等索具，這些設(shè)備的安裝主要靠熱合在囊體上的抓手連接；其他設(shè)備如頭錐、設(shè)備掛架、風(fēng)速風(fēng)向儀掛架等大型管件結(jié)構(gòu)，通過與囊體上的綁扎帶綁扎在一起連接，典型的設(shè)備安裝形式如圖4所示。

圖3尾翼結(jié)構(gòu)示意圖

圖4典型的設(shè)備安裝形式示意圖

4 安全性設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系留氣球設(shè)計(jì)的安全系數(shù)取值如表1所示。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)氣動(dòng)計(jì)算給出的載荷，對(duì)囊體、球上安裝設(shè)備、系留結(jié)構(gòu)等進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，采取措施進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，在囊體應(yīng)力比較集中的部位采取加強(qiáng)措施，如在整流罩與主氣囊連接部位，尾翼與主氣囊連接部位，在設(shè)備安裝的綁扎帶及開空洞的邊沿部位，進(jìn)行多層熱合加強(qiáng)。同時(shí)，考慮可能發(fā)生氣壓過高的可能性，危及囊體安全，設(shè)計(jì)氦氣閥門，必要時(shí)，打開該閥門進(jìn)行放氦氣；在可能發(fā)生逃逸現(xiàn)象時(shí)，增加快速破壞囊體的撕裂裝置，以迅速放掉氦氣，使氣球盡快下落至地面。雷達(dá)與球體之間的安全設(shè)計(jì)，可以利用三維仿真手段，通過合理布局和限位設(shè)計(jì)，保證氣球在空中不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)甚至是極限姿態(tài)下，雷達(dá)設(shè)備不會(huì)與氣球整流罩和桁架發(fā)生碰撞。

表1 球體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取值

5 輕量化設(shè)計(jì)

重量是浮空器產(chǎn)品中重要的指標(biāo)，一個(gè)系留氣球的升空重量主要包括囊體重量、氣體重量、系留纜繩重量、球上電子重量及雷達(dá)重量等。主氣囊重量可由下式計(jì)算：

M主=K連·K小件·ρ·S

式中：K連—考慮連接結(jié)構(gòu)重量的系數(shù)，參考表2；

K小件—考慮局部加強(qiáng)，耳片等小件重量的系數(shù)，焊接時(shí)取1.11，膠接時(shí)取1.17；

ρ—主氣囊材料單位面積重量；

S—主氣囊表面積；

系數(shù)K連的值可以參考表2確定[6]。

表2 各種囊體材料不同連接型式時(shí)的K連系數(shù)值

由此可見，要想囊體重量輕，首先要在滿足強(qiáng)度要求的情況下，盡可能選擇密度比較小的材料。氣囊中氣體質(zhì)量是系留氣球自身重量的組成部分，氦氣滲漏或者氦氣囊中進(jìn)入空氣，都將使系留氣球的凈浮力降低。避免氦氣泄漏滲透造成系留氣球凈浮力損失，也可以說是減輕系統(tǒng)重量提高載重能力的重要方法。一是選擇純度較高的氦氣；二是囊體材料應(yīng)具有強(qiáng)度高、密度小、低滲透率和優(yōu)良的加工工藝性等特性；三是采用良好的加工工藝，使囊體接合縫熱合嚴(yán)密不漏氣。系留纜繩是氣球載雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，應(yīng)具有承受系留載荷、電力傳輸、防雷擊保護(hù)等功能。新型系留纜繩一般由導(dǎo)電層、承力層、泄雷層和防護(hù)層組成，在結(jié)構(gòu)中優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，選擇具有抗拉強(qiáng)度高、重量輕的凱夫拉制成。系留氣球結(jié)構(gòu)件重量占其自身的比例較大，主要形式是各種桁架和框架結(jié)構(gòu)，利用分析計(jì)算對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效減輕重量。如頭錐、設(shè)備掛架采用鋁管焊接而成，壓力調(diào)節(jié)設(shè)備采用高強(qiáng)度的鋁合金板材加工而成，拉索金屬接頭采用強(qiáng)度高、密度低的鈦合金材料。雷達(dá)在設(shè)計(jì)過程中,利用新材料、新工藝以及多學(xué)科綜合的數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，通過進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析，采取措施使雷達(dá)結(jié)構(gòu)體積小、重量輕。如電子機(jī)架與天線的一體化設(shè)計(jì)，天線骨架采用泡沫夾層復(fù)合材料、天線采用輕質(zhì)碳纖維材料等。

6 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于室外，所處的環(huán)境比較復(fù)雜，會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)風(fēng)、雷電、強(qiáng)降雨和溫濕壓變化大等自然環(huán)境。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)全面分析、充分考慮環(huán)境因素的影響，經(jīng)過各分系統(tǒng)的認(rèn)真設(shè)計(jì)，從材料、元器件 、零部件、設(shè)備等各個(gè)級(jí)別上提高裝備對(duì)預(yù)定環(huán)境的抵抗能力，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮采用減緩或降低其所在環(huán)境的嚴(yán)酷度。為滿足項(xiàng)目環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，采取熱設(shè)計(jì)、故障軟化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)等措施。為應(yīng)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的劇烈變化，系留氣球通過內(nèi)外壓差保證其外形和剛度，進(jìn)而保證其氣動(dòng)性能，提高抗風(fēng)能力；在防雷設(shè)計(jì)上，一般對(duì)球體采用防雷網(wǎng)防護(hù)、導(dǎo)體籠防護(hù)和懸索導(dǎo)線防護(hù)；在電磁兼容性設(shè)計(jì)上，在系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和控制，采取局部屏蔽隔離、有源器件的選用、合理布線、設(shè)備接地濾波等措施；對(duì)安裝設(shè)備采取有效的防雷防雨防塵措施，如在設(shè)備安裝周邊設(shè)置防雨條，防止囊體上流下的水直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)及沿設(shè)備安裝縫隙滲入囊體內(nèi)。此外，為了能夠快速地了解使用場(chǎng)地的天氣情況，做好預(yù)防措施，提高可用度，一般隨系統(tǒng)配備風(fēng)廓線雷達(dá)、云雨雷達(dá)、地面氣象站及除冰雪裝置等保障設(shè)備。

7 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)得到了很快發(fā)展，系統(tǒng)能否安全可靠地發(fā)揮作用，空中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到很重要的作用，系統(tǒng)整體性能要想有很大地提升，空中電子設(shè)備及大型結(jié)構(gòu)件應(yīng)向小型化、輕量化發(fā)展，使系統(tǒng)升得更高，看得更遠(yuǎn)，得到更廣泛的應(yīng)用。