梁小玲，卢芳春

（1.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035；2.空军装备部驻荆州地区军事代表室，湖北 荆州 434000）

系留气球是依靠浮力升空的空中平台，可在一定程度上降低地球曲率和局部地形影响，适合搭载各种通讯、干扰、侦察、探测等电子任务设备，可长时间滞空，有效提高我军战场侦察监视、预警探测、通信和电子对抗能力，在信息获取和提升我军综合作战能力等方面具有重要应用价值[1-2]。

系留气球在军、民用领域有诸多的好处，但其使用却受到多因素的干扰，尤其以气象环境影响为巨[1]。为此，文中着重分析了气象环境对系留气球的影响，得出球库对系留气球的必要性。

1 气象环境对系留气球的影响

系留气球如果没有球库，长期暴露在外界环境中，气象环境（主要指大风、冰雪、雷电）对系留气球的稳定性、安全性都会造成极大的影响。

1.1 大风

风场对系留气球影响主要在于对系留气球性能、载荷、结构和强度方面产生影响[1]。在风向稳定的风场条件下，系留气球地面锚泊的抗风能力很强，也比较安全，但自然风场为非定常风场，风向千变万化。当系留气球地面锚泊时，地面大风一方面会给球体造成很大的载荷压力，球体材料和结构件更容易受损。另一方面，当风向变化率超过设计要求时，系留气球随风顺桨能力变差，会使球体扭曲，甚至局部破裂，造成球体漏气甚至逃逸。

持续的大风天气下，当系留气球需要进行维护时，人员根本无法靠近。当地面风速过大，导致球体地面锚泊不稳定时，有时需要人力进行拉拽，对工作人员的安全造成一定的影响。特别是，如果系留气球处于沿海地区的台风季节时，根据天气预报的情况，需要经常进行架设撤收。另外，台风刮起的硬质物体有可能造成球体损伤，从而造成灾难性后果。

1.2 降水

降水的种类有很多，对系留气球影响较大的主要是降雪和冻雨。

持续性降雪或短时间内的强降雪，会造成系留气球顶部和平尾大量积雪。如果在北方空气湿度较小的条件下，可以把系留气球升空放到空中吹雪，但如果处于湿度适宜的条件下，积雪会冻住。冻雨是指过冷水滴在下降到地表后，与温度低于 0 ℃的物体相遇发生冻结的一种降水。冻雨是一种严重的高影响灾害性天气[1]，有很强的黏性，冰层会越来越厚。

冰、雪积聚在球体的表面，会增加气球质量，使浮力减小，同时也会破坏气动外形。在空中，系留气球姿态和飞行稳定性发生变化，导致气球飞行阻力增加，气球稳定性下降，对气球飞行安全构成隐患。地面锚泊时，没有及时除冰雪的情况下会导致整流罩、平尾和地面刮擦，损坏整流罩、尾翼以及罩内设备，更严重的情况下会把球体压垮。

1.3 雷电

我国疆域广阔，气候复杂多样，每年的春夏两季是雷电多发的时期，尤其是南方地区。雷电是自然界中电磁干扰最强的一种放电现象，体积较大的军事装备、军用飞机、雷达、导弹、通信系统、电子设备、仪器仪表、国防电缆等都易遭受雷电的袭击[1]。中国闪电密度东部比西部高，南部比北部高，沿海陆地区比内陆区高，陆地比海区高。中国闪电高密度区相对较集中，主要出现在 32°~37°N，114°~124°E 和20°~5°N，100°~115°E 区，年均每经纬度的闪电密度高达 200 次以上。特别是位于 32°~37°N，114°~124°E内的江苏安徽北部和山东交界黄海的陆地区，年均闪电密度高达近300次[2]。

雷电对系留气球系统的损伤是全方位的。在雷电的直接效应[3]和间接效应作用下，球体、球载设备、系留缆绳，直至地面设备和人员，都可能直接或间接地遭遇雷电损伤。当雷雨大风天气系留气球出现紧急状况，地面工作人员走出舱外维护时，雷击产生的跨步电压可能会对其造成伤害。

2 各种气象环境带来的后果

在各种对系留气球不利的气象条件影响下，带来的主要影响有：使用可用度下降、球体寿命变短、氦气渗透率增加等。

2.1 使用可用度下降

可用性是产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度，可用性的概率度量称可用度[2]。GJB 451A—2005 给出的使用可用度定义是：“与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数。”其中一种度量方法为：产品的能工作时间：能工作时间+不能工作时间[2]。时间图解如图1所示。

图1 时间图解

一旦系留气球碰到上述各种影响工作的天气，轻则需要地面锚泊规避，重则需要回收气球，中间会耗费大量的时间。尤其是在台风季，出现预报大风，撤收气球，大风过后，架设气球，如此循环的情况，如图2所示。这些时间都属于不能工作时间，由此严重影响到系留气球的使用可用度。

图2 台风季节系留气球工作图

2.2 球体寿命变短

系留气球一般使用层压材料，由柔性的复合纤维制成的承力层、聚酯薄膜制成的阻气层和聚氟乙烯制成的防老化层等组成。整个材料很薄，虽然抗拉强度很强，但如果没有球库，遇到紧急状况时，只能回收折叠打包入库。气囊经常反复折叠、拖拽会使以织物为基底的囊体材料局部应力过大，造成局部微孔损伤，由此导致囊体材料的封闭型损伤。同时在折叠过程中，会导致囊体材料的磨损，造成囊体材料表面型损伤和降解。封闭型损伤模式和表面型损伤模式如图3所示。

图3 材料损伤模式

2.3 氦气渗透率增加

囊体材料的氦气渗透率会随着上述裂纹密度的变大而增加。对于封闭型损伤，当裂纹深度为结构总厚的10%、20%、50%时，囊体材料氦气渗透率随裂纹密度的变化曲线如图4所示。

图4 封闭型损伤囊体材料氦气渗透率随裂纹密度变化曲线

对于表面型损伤，当裂纹深度为结构总厚度的5%、10%、20%时，囊体材料氦气渗透率随裂纹密度的变化曲线如图5示。

从图4、图5可以看出，氦气渗透率随裂纹密度的增大而增加。氦气的市场价格逐年增加，增加了系留气球使用时的经济负担，并且频繁折叠对人力、物力都将是一种考验，特别是大型系留气球。

3 球库建造

3.1 技术可行性

图5 表面型损伤囊体材料氦气渗透率随裂纹密度变化曲线

纵观目前各大系留气球生产企业，均有生产制造和检查维护用的厂房，各种工业厂房、机库、仓库等建筑，都具有大尺寸、大跨度的特点，所以从球库建造的技术是可行的。这些建筑的抗风、防降水和雷电的能力也相当强，足以面对目前的恶劣天气条件。

3.2 经济性分析

各种工业厂房、机库、仓库等建筑基本都是采用钢骨架构建造球库，建造方式相当成熟，建造费用也比较低。另外建造的球库不一定需要密闭结构，那就不需要建造大门，可以节约一大笔的费用，相对比较便宜。

3.3 必要性

建造球库不存在技术性问题，费用也不是很高。当有了球库后，球库可以给系留气球遮风、挡水、避雷，避免系留气球受到损伤，可以明显降低系留气球遭遇灾害天气受损的概率。同时通过轨道或者顶盖等形式，在灾害天气过后，系留气球可以直接使用，不用频繁地架设撤收，增加了系留气球的使用可用度，节省了大量的经费，更是可以减少对球体的损伤。另外，系留气球在球库中检查维修，可以不受气象条件限制，确保了安全性。

综上可知，对执行特定任务和长时间定点运行的系留气球系统，完全有必要给系留气球建造一个球库。

4 结语

系留气球面临着复杂的气象环境，此外，气囊囊体材料还要经受高低温、紫外线辐射、日光老化、酸雨及潮湿环境、臭氧氧化的影响，在室外暴露时间越长，强度越容易下降，对囊体材料的寿命和使用可用度的影响也就越大。同时在特殊恶劣天气条件下，对系留气球、地面设备甚至工作人员的安全都会造成影响。建设球库，能使系留气球有效规避恶劣天气，提高系留气球的可用度和寿命，减少氦气渗透率，保护设备和工作人员的安全。当然，也不是所有的系留气球都需要球库，这要根据系留气球的实际用途和使用特点而定。