（1 中国特种飞行器研究所，湖北荆门，448035）
（2 中国特种飞行器研究所，湖北荆门，448035）
摘要：系留缆绳是系留气球平台的生命线，系留缆绳下端系留点在收/放、系留过程中受风载影响容易产生磨损、张紧-松弛和承受冲击载荷。针对系留缆绳系留动态特点研发一种多功能导向装置，适用于系留缆绳收/放和系留过程中的动态保护，从而提高系留气球平台的可靠性、安全性，并成功应用于立项型号产品。
关键词：系留气球平台 系留缆绳 导向装置
1.引言
系留气球平台是一种轻空气的浮空飞行器，可搭载雷达、侦查、电子干扰、通讯等军用和民用设备，在军事上和重大地质、气象灾害的应急事件上的日益广泛。
系留缆绳作为系留气球平台的关键组成部分，是实现系留气球升空/回收和空中系留的生命线，如何有效的对系留缆绳进行保护，是增强系留气球可靠性、安全性的关键一环。
2.导向装置主要作用
系留气球平台主要由球体、系留缆绳、升空回收设备、锚泊设备、压力调节设备、电源及控制设备等组成，而导向装置（见图1）是系留缆绳、升空/回收设备、锚泊设备的连接纽带，其主要作用表现在三个方面：一是导向，改变系留缆绳方向以便于收/放系留缆绳；二是改变系留点的位置，使系留气球在锚泊设备上从地面锚泊三点受力状态到系留缆绳单点受力状态受力平衡、平稳过渡；三是适应系留缆绳下端系留点的偏摆和跳动，保护系留缆绳。
1球体 2系留缆绳 3导向装
4升空/回收设备 5锚泊设备
图1 系留气球组成
3.多功能导向装置设计
导向装置的设计应根据系留缆绳的结构、系留点特性等进行综合考虑。
3.1系留缆绳结构
系留气球平台用系留缆绳不仅作为承力件克服球体浮力、气动载荷，同时作为球上设备的供电、通信、防雷，是一种光电复合缆绳，由内至外主要分为三部分，光纤和电力传输线，承受轴向拉力的纤维层，用于雷电泄放的铜丝编织层及半导体外护套，其截面特征见图2。
图2 系留缆绳结构
3.2系留缆绳动态特性
由于系留气球平台受风载影响大，其气动载荷随风向变化、紊流影响而具有很大的不确定性，与之相比，系留缆绳系留点的瞬态响应在时域上有一定延时、幅值上有一定衰减以外，其受力大小、方向均具有不确定性，因此，系留缆绳在系留点处将出现前后左右偏转、松弛-张紧等现象，见图3。
图3 系留缆绳摆动现象
3.3导向装置功能
针对系留缆绳结构特点、动态特性及导向装置的主要作用，导向装置应具有如下功能：
a) 导向功能，导向装置应能随系留缆绳前后左右偏转，在偏转的同时保证系留缆绳至升空/回收设备端的系留缆绳不摆动，以便于收/放稳定性。
b) 承载功能，导向装置应能承受系留气球平台在各种气象条件下的系留缆绳张力。
c) 缆绳保护功能，导向装置应实时保持系留缆绳具有一定的弯曲半径而不产生弯折，在适应系留缆绳偏转、张紧-松弛的情况下防止系留缆绳跳出滑轮槽，以免切割、卡死系留缆绳，导致系留缆绳断裂。
d)雷电泄放功能，导向装置应能将系留缆绳上的静电或雷电通过系留缆绳半导体外护套与导向滑轮接触部位有效的传输到大地。
e)系留缆绳下端偏角测量，导向装置应能实时测量系留缆绳下端轴线相对水平线的偏角，以监测反应系留缆绳在各风速条件下的下端偏转状况。
3.4导向装置结构设计
根据导向装置应具有的各种功能，导向装置结构设计见图4所示。
图4中件2回转支承回转中心与系留缆绳出缆中心同轴，主要用于承受系留缆绳张力载荷和实现导向装置的左右偏摆。当系留缆绳左右偏摆时，将施加给偏角测量支架上限位轮一个侧向力，从而带动整个导向装置旋转。件3为配重，使整个导向装置绕回转支承轴线重心平衡，以提高随系留缆绳左右偏摆的随动性。
图4中件7滑轮主要用于实现导向功能，改变系留缆绳方向。该滑轮设计成具有一定的弯曲半径、带有与系留缆绳直径相适应的圆弧槽，以改善系留缆绳弯曲、挤压影响，提高系留缆绳使用寿命，并且在收/放系留缆绳时可随系留缆绳同步转动，排除系留缆绳收/放时的摩擦损伤。
图4中件10分别为偏角测量支架上随动的限位滚轮和滑轮下部固定的限位轮，主要用于防止系留缆绳在偏摆、松弛-张紧过程中脱出滑轮槽，造成系留缆绳被轮缘或棱边磨损、卡死等，对系留缆绳在收/放、系留过程中进行有效保护。系留缆绳前后偏转时，与件5偏角测量支架的偏转角度是一致的，因此在壳体上以滑轮轴为中心标记上刻度值，并在偏角测量支架回转中心安装角位移传感器，可实现缆绳下端偏角远程监控。
1壳体 2回转支承 3配重 4系留缆绳
5偏角测量支架 6刻度盘 7滑轮
8滑轮轴组件 9角位移传感器 10限位轮
图4 导向装置结构
3.5导向装置雷电泄放设计
当系留缆绳遭受雷击或感应静电时，可以通过外护套进行传导，导向装置应能使系留缆绳外护套通过定滑轮可靠接地，因此在滑轮上采取压紧搭接的方式构成回路，在不影响滑轮转动的前提下，保证搭接电阻满足使用要求，见图5。图5中件6环状铜板与件7滑轮固连，件5铜螺杆件在件3弹簧的作用下保持一定压力与环状铜板压紧可相对滑动，从而保证动态搭接电阻，并通过件2导线进行可靠接地。
1铜螺母 2导线 3压紧弹簧 4壳体
5铜螺杆 6环状铜板 7 定滑轮
图5 雷电泄放设计
3.6导向装置受力分析
由图4可知，导向装置的主要受力来源于系留缆绳进/出缆端张力所产生的合力，且由于系留缆绳前后偏转，其受力方向在不断变化，见图6。
图6 导向装置结构受力
系留缆绳张力除系留气球浮力及气动载荷的静态平衡力，还应考虑突风、紊流动态影响[1] [2]。另外，系留气球在突风作用下将导致系留缆绳出现张紧-松弛状况，而索具类的松弛-张紧将产生成倍的冲击影响[3]，根据某型系留气球的模拟分析计算及实际测量数据，导向装置结构设计时宜取不小于3倍安全系数。
4.结论
该导向装置已成功运用某立项型号系留气球，性能优异，有效的防止系留缆绳磨损，提高了系统的安全性、可靠性。
该导向装置的结构形式能适用于所有系留气球以及其他类似拖拽机构的索具保护。
参考文献
[1]曾毅，罗家枢.高空系留气球系留缆绳载荷计算方法研究：特种飞行器研究,200.2
[2]何巍，任三元，王喜鹤.定点系留气球缆绳基准载荷谱的编制：特种飞行器研究，第16卷第3期。
[3]唐友刚，张素侠，张海燕.系泊系统松弛-张紧引起的冲击张力研究[J]：振动与冲击，第27卷第4期。
论文作者:吴凌云1, 赖贞华2
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/13
标签：缆绳论文; 导向论文; 装置论文; 气球论文; 滑轮论文; 偏角论文; 载荷论文; 《科技新时代》2018年6期论文;