費東年 高尚書

摘? 要：高空系留氣球的雷電防護是一項極其復雜的工程，目前國內(nèi)外都還沒有針對高空系留氣球的雷電防護標準。本文從設備雷電防護的原理出發(fā)，在充分分析雷電可能對系留氣球囊體表面及球上電子電氣設備造成損壞的基礎上，提出了一種基于法拉第籠等電位方式的新型防雷設計方案。本文重點對防雷桿、避雷索和導電裝置等關(guān)鍵部件進行詳細設計，從而確保系留氣球遇到雷擊時能夠安全運行，最后利用縮比模型的雷電防護試驗對設計方案的防雷效果進行了驗證。

關(guān)鍵詞：高空系留氣球? 防雷系統(tǒng)? 系統(tǒng)設計? 防雷桿? 避雷索? 防護試驗

中圖分類號：V273; V19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0010-05

Lightning Protection Design of Tethered Balloon System

FEI Dongnian*? GAO Shangshu

（No. 38 Research Institute， CETC， Hefei， anhui province， 230088? China）

Abstract： The lightning protection of high altitude tethered balloon is a very complex project. At present， there is no lightning protection standard for high altitude tethered balloon at home and abroad. Based on the principle of lightning protection， a new lighting protection design scheme based on Faraday Cage Equipotent mode was proposed on the basis of fully analyzing the possible damage of lightning to tethered balloons and the harm to workers. To ensure the safe operation of tethered balloon in case of lightning stroke， the key components such as lightning rod， lightning cable and conductive device were detailed designed. Finally， the lightning protection test of the scale model was used to verify the lightning protection effect of the design scheme.

Key Words： Tethered balloon; Lightning protection system; System design; Lightning proof pole; Lightning proof cable; Protection test

如今，隨著科學技術(shù)和材料工藝技術(shù)的不斷提高，系留氣球的安全系統(tǒng)得到大幅度提高，已成為航空器大家庭中的重要一員。系留氣球是屬于輕于空氣的航空器，可根據(jù)任務的需求將相應的電子設備升至指定的高度，目前已在雷達預警、對地觀測、電子對抗、遠程通信中繼、氣象觀測、霧霾立體監(jiān)測和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

系留氣球的工作場所主要集中在空曠的野外，在升空、滯空、回收和地面系留時，很容易遭遇雷擊。雷電巨大的破壞力可能對系留氣球的電子電氣設備造成損毀，導致系統(tǒng)無法正常，甚至在空中失控脫系，嚴重威脅操作人員的生命安全。為適應各種地理條件和環(huán)境氣候的作戰(zhàn)使用要求，保障人身安全和設備安全，系留氣球的雷電安全防護越來越受到重視。本文根據(jù)現(xiàn)有的防雷知識對系留氣球的防雷系統(tǒng)進行詳細設計。

1? 雷電防護分析

對系留氣球進行防雷設計，必須要首先了解雷電形成的原因和經(jīng)過。

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現(xiàn)象，雷電發(fā)生的瞬間將釋放巨大能量，高大建筑及電子電氣設備一旦遭遇雷擊，產(chǎn)生高電壓及強電流會造成高大建筑及電子電氣設備的毀壞，甚至會引發(fā)大火，造成無法估計的損失[1]。

作為一種重要的空中平臺，系留氣球在執(zhí)行任務時，需攜帶任務載荷升至到幾千米的高空[2]。在系留氣球滯空期間，不可避免地會遇到雷擊，這時球上的各種電子設備和供電纜繩就變成一個很好的“引雷裝置”，輕則影響裝置工作，重則可能造成裝置墜毀、報廢，并可能造成人員傷亡[3]。

系留氣球滯空期間，整個系統(tǒng)都直接暴露在空氣中，球上任何部位的電子電氣設備都可能直接或間接地遭遇雷擊損傷，因此整個防雷系統(tǒng)必須從立體、全方位的，從而避免雷電破壞系留氣球囊體及電子電氣設備[4]。

為了保證系留氣球囊體和電子電氣設備免受雷擊損壞，保證系統(tǒng)正常工作，需要從球體、系留纜繩和球載設備等方面考慮雷電防護設計。

2? 防雷系統(tǒng)設計

2.1 設計原理

系留氣球的雷電防護原理：通過在球體表面布置適當?shù)谋芾揍樆虮芾姿?，使雷電附著在避雷針或避雷索上，通過系留纜繩的金屬網(wǎng)傳至地面設備的接地回路中，將雷電導入大地，保護整個系統(tǒng)免受雷擊。系留氣球的雷電防護原理具體見圖1所示[5]。

2.2 設計依據(jù)

自然界雷電由天氣決定，人類對雷電的認知是一個從未知到逐漸認知的過程。雷電流幅值（I）大小取決于雷電發(fā)生時周圍帶電云層的電荷總量，具有一定的統(tǒng)計規(guī)律。根據(jù)前期大量科研人員統(tǒng)計的雷電流幅值歷史數(shù)據(jù)，得出我國一般地區(qū)（西北地區(qū)除外）雷電流幅值超過I的概率，計算公式如下：

（1）

式中：P-雷電流幅值概率;I-雷電流幅值，單位為kA。

雷擊指標可參考雷電流幅值統(tǒng)計數(shù)據(jù)，系留氣球地面系留時，系留氣球防雷分系統(tǒng)應防護超過99.5%的雷電，系留氣球空中執(zhí)行任務時，系留氣球防雷分系統(tǒng)應防護超過90%的雷電，雷擊避雷索斷裂時，避雷索熔融顆粒不得使囊體產(chǎn)生穿透灼傷。

由上式計算可得出，雷電流幅值為30kA、88kA、100kA、150kA、200kA時，發(fā)生的概率分別為45.6%、10%、7.3%、2.0%、0.5%。

根據(jù)產(chǎn)品實際使用情況，并參考《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》GJB 3567-99，綜合考慮將防雷指標按A+C分量進行設計：30kA的雷擊電流時能正常工作， 200kA的雷擊電流時不造成系統(tǒng)毀滅性破壞。

2.3 系統(tǒng)設計

防雷系統(tǒng)主要由球上防雷網(wǎng)和系留纜繩內(nèi)部的金屬網(wǎng)組成，球上防雷網(wǎng)與金屬網(wǎng)上端連接，纜繩內(nèi)部金屬網(wǎng)下端接入大地，將雷電電流直接導入大地，保護系留氣球不受雷擊。本文將著重對球上防雷網(wǎng)進行詳細設計。

球上防雷網(wǎng)由避雷索、防雷桿和導電裝置等組成，布置在系留氣球球體的周圍，當系留氣球處于帶電云團中，可以形成法拉第籠等電位方式保護系留氣球囊體[6]。

防雷桿布置在囊體上表面，用于支撐避雷索，避免避雷索與囊體和球上設備接觸，防雷桿為絕緣樹脂材料。

避雷索通過固定在球皮上的絕緣支撐（防雷桿），使避雷索與球皮保持一定的距離，形成電荷轉(zhuǎn)移途徑，避免雷電擊中系留氣球及球上設備。

避雷索的布置越多，雷電防護設計越可靠，但是這樣會增加重量和成本。防護設計的任務就是在保證功能的情況下，選擇最少的布置。以美國TCOM公司生產(chǎn)的32m機動式系留氣球（具體參數(shù)見表1所示）為例，對系留氣球的防雷設計進行詳細設計。

防雷電系統(tǒng)沿縱軸方向，從系留氣球頭部開始設置一根縱向避雷索，從系留氣球頂部延伸至系留氣球尾部，并在尾部自由下垂，長度以整流罩最底處水平面為準。沿系留氣球橫向最大截面處附近，再布置一根橫向避雷索，從左邊中軸經(jīng)過縱軸位置到右邊中軸，該避雷索的兩端分別通過系留拉索連接至系留部件，通過纜繩的避雷層接地。沿頂部中心線布置的縱向避雷線和周向布置的橫向避雷線之間通過跨接線連接，從而保證縱向避雷索也能可靠接地，將避雷索連成避雷網(wǎng)增加屏蔽效果，保護球體和球上主要設備?？缃泳€與橫、縱向避雷索的連接方式如圖2所示。

所有避雷索都通過固定在球皮上的防雷桿進行支撐，使避雷線與球皮距離1～3m之間。

防雷系統(tǒng)具體布置見圖3所示。

2.3.1 防雷桿

防雷桿設計由安裝座、支柱、鋼套環(huán)和安裝支架等組成，具體見圖4所示。

安裝支架用于將避雷索固定在防雷桿上端，使避雷索與囊體表面保持一定的間距。

安裝座安裝在囊體上的蝴蝶結(jié)內(nèi)部，與連接在鋼套環(huán)上的三根強力繩將防雷桿固定在囊體表面，同時防雷桿垂直囊體表面，使避雷索與囊體表面之間的距離盡可能大。具體連接形式見圖5所示。

支柱的材料選用環(huán)氧玻璃布管，該材料具有耐高溫、絕緣性能好、力學性能好、擊穿強度高及良好的機械加工性特點，適合在野外及潮濕的室外環(huán)境條件下使用。

支柱的長度直接決定避雷索和囊體之間的間距，從而決定避雷索形成的雷電防護區(qū)范圍大小。為了保護囊體和安裝在囊體上的所有設備，如? 風機、閥門、測控系統(tǒng)等，避雷索形成的雷電防護區(qū)必須覆蓋整個囊體，由于囊體的橫向截面積大小不同，因此各個支撐點的防雷桿長度要求也不同。各點防雷桿的最小長度計算公式如下：

（2）

其中 ：R-氣球主囊體半徑。

由上述公式可以得出囊體最大截面處的支撐點高度值最大，即防雷桿長度最長，為：

2.3.2 避雷索

避雷索布置在囊體上表面，作為雷電電荷的轉(zhuǎn)移途徑，避雷索可能遭受雷電電流的焦耳熱、電磁力、電弧注入及沖擊波各種效應，需分別計算，綜合考慮避雷索材料，選擇合理的導體截面積[7]。

綜合比較鋁、鋼和銅3種常用的金屬材料，具體參數(shù)見表2所示，從材料的質(zhì)量熱容、質(zhì)量密度和熔點3個方面進行分析比較，考慮到野外的環(huán)境要求，最終將避雷索的材料優(yōu)選為不銹鋼材料。

避雷索遭受雷擊時，雷電產(chǎn)生的電流通過避雷索時，電流非常大，會導致避雷索的溫度急劇升高。設雷電電流通過導體發(fā)出的熱量為Q發(fā)，Q發(fā)=I2Rt=ρI2Lt/s。避雷索吸收的熱量為Q吸

則Q發(fā)=Q吸

簡化上式后得：

（3）

式中：

S-避雷索截面積

I-雷擊電流

Ρ-避雷索電阻率

t-雷擊電流通過的時間

c-避雷索的熱容量

d-避雷索的比重

△T-避雷索的溫升。

根據(jù)《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》（GJB 3567-99）中的雷電試驗電流波形，此波形模擬了自然雷擊放電過程的電流特性。取I2t為6.25×104A2s。鋼性能參數(shù)表如表3所示。

根據(jù)表3的各項參數(shù)，可計算出不同截面積的鋼絲繩相對應的溫升變化（如表4所示），綜合考慮避雷索的強度和重量等要求，將避雷索的截面選擇為6mm2。

3? 縮比模型的雷電防護試驗

雷電防護試驗主要是模擬系留氣球在雷擊區(qū)遭受雷擊的過程，檢測雷擊區(qū)的球體及球上電子電氣設備等受到雷電損壞的可能性，確定金屬或?qū)щ姴牧侠纂姼街奈恢?，從而進一步確認避雷索布置的高度和范圍能否吸引雷電引向自身而避免擊向球體表面及球上電子電氣設備，來評估避雷索布置的合理性[8]。

根據(jù)國內(nèi)外對雷電防護試驗的研究進展，結(jié)合試驗目的，取H/h=10-20值時，選擇雷電模擬先導高度H為100～200cm，模擬避雷索高度h=280～450/20=14.0～22.5cm，制作一縮比球，其尺寸為實際球體的1/10。試驗前主氣囊充氦氣，尾翼充空氣，整流罩內(nèi)放入任務設備縮比骨架。布置好避雷索、支撐和傳感器引線等，詳見圖6。

試驗結(jié)果顯示：氣球囊體及球載設備未見任何損傷，電子設備工作正常。

可見采用本文提出的避雷網(wǎng)方案，當系留氣球在地面駐留狀態(tài)和滯空狀態(tài)下遭遇雷擊時，可以使雷電有效附著到避雷索上，從而對氣球形成有效的雷電防護。如圖7所示。

4? 結(jié)語

本文通過分析高空系留氣球系統(tǒng)在外場使用的惡劣環(huán)境，針對雷電可能其造成損傷的可能性，提出了一種利用防雷桿、避雷索和導電裝置在系留氣球外圍形成法拉第籠等電位的防雷設計方案，并通過實際縮比模型的雷電防護試驗驗證了設計方案的合理性和有效性。

但系留氣球的雷電防護是一項極其復雜的工程，本文所提的防雷設計方案還需在以后的實際應用中進行不斷的驗證和改進。同時從安全角度考慮，系留氣球在外場使用過程中，應加強天氣預報盡量規(guī)避雷暴天氣升空。

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