宋 杰， 辛秀東， 吉 利， 魯 祥， 鄒葉龍

(上海電纜研究所，上海200093)

1 概述

系留氣球(或飛艇)作為一種理想的空中平臺(tái)，自其誕生之日起，就受到了人們的青睞。它具有留空時(shí)間長，覆蓋面積大，能源消耗低，便于拆收，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過將各種攝影、攝像設(shè)備，電(光)偵察設(shè)備以及電(光)干擾設(shè)備等安裝在吊艙中，可對(duì)電磁波輻射范圍內(nèi)的地物和地貌、人員和設(shè)施等自動(dòng)完成攝影、攝像、信息偵察和干擾，以及遠(yuǎn)距離通信等任務(wù);亦可用于大氣和環(huán)境監(jiān)測、緝私、應(yīng)急通訊系統(tǒng)等民用領(lǐng)域。作為一種升空平臺(tái)，系留氣球可為球載設(shè)備提供較大的對(duì)地視界范圍，其滯空高度越高，覆蓋范圍越大。

系留氣球下端懸掛一個(gè)吊艙，借助于氣球浮力漂浮在空中。倘若在吊艙中安裝上各種無線電臺(tái)，它就可構(gòu)成一座無人升空通信平臺(tái)，相當(dāng)于將無線電波接力站從地面搬到高空，將地面電臺(tái)發(fā)出的無線電波經(jīng)過它的接收、放大就可自動(dòng)地轉(zhuǎn)發(fā)到另一地區(qū)，完成遠(yuǎn)距離電波中轉(zhuǎn)任務(wù)。

根據(jù)登高望遠(yuǎn)的道理，系留氣球升得愈高，升空通信平臺(tái)輻射出無線電波的范圍就愈廣，通信距離也就愈遠(yuǎn)。試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)系留氣球攜帶1 kW通信設(shè)備升至50 m時(shí)，通信距離可達(dá)80 km;升至2 000 m，通信距離可達(dá)160 km;升至6 000 m，通信距離可達(dá)320 km。

1.1 系留氣球和飛艇的發(fā)展簡況

系留氣球和飛艇的應(yīng)用最早可以追溯到18世紀(jì)末期，當(dāng)時(shí)主要用于觀察戰(zhàn)場和戰(zhàn)區(qū)軍隊(duì)的配備和運(yùn)動(dòng)情況。在第一次世界大戰(zhàn)期間，系留氣球用于大炮炮彈彈著點(diǎn)的觀測;在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，除了戰(zhàn)場觀測和炮彈彈著點(diǎn)的校正觀測外，還用于城市的防空，攔截低空突防的轟炸機(jī)，起到保衛(wèi)城市、艦船和軍事目標(biāo)的作用。

和平年代，系留氣球和飛艇更多的用于氣象預(yù)報(bào)、飛行器監(jiān)測、廣播通訊、地形測繪、城市警務(wù)、應(yīng)急通訊業(yè)務(wù)等，此外，系留氣球還可以進(jìn)行低空預(yù)警，特別是作為邊防、海防的空中監(jiān)測平臺(tái)以及對(duì)反恐的監(jiān)測都是一種極好的選擇。尤其可用于災(zāi)(如地震)后通訊、勘測應(yīng)急系統(tǒng)的建立，具有極強(qiáng)的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1.2 系留氣球和飛艇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

系留氣球和飛艇的基本結(jié)構(gòu)是由頭錐、囊體、尾翼、設(shè)備或吊艙以及纜繩等組成。頭錐是系留氣球或飛艇與地面系留時(shí)的重要承重部件;囊體則用于充注升力的氣體(本文介紹的是充注氦氣);尾翼(包括舵面)為氣球或飛艇提供穩(wěn)定和操縱;設(shè)備或吊艙為飛行員及系統(tǒng)設(shè)備提供搭載空間;纜繩(本文又稱為系纜或系留綜合纜)是為氣球定點(diǎn)系留提供約束力，還可以為氣球球載設(shè)備傳輸電能，以及提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w線路。

1.3 充氦氣球用系纜

系纜也是充氦氣球系統(tǒng)中重要的組成部分，也是本文主要論述的主題，以往采用鋼纜，由于重量很重，直接影響到了系留氣球的有效載荷，已逐漸被淘汰。近年來，充氦氣球和飛艇的纜繩，已逐漸被匯集銅導(dǎo)體電力電纜、光纜和保護(hù)層于一體的多功能綜合纜取代，并有以芳綸(Kevlar)纖維受力構(gòu)體代替鋼絞線的趨勢。

系纜作為系留氣球與地面設(shè)施的連接線，用于發(fā)放、回收氣球，并具有傳輸信號(hào)和供電功能。系纜中心是導(dǎo)線，導(dǎo)線包以Kevlar纖維，最外層為金屬編織套，用于避雷作用。地面上還有機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、系留塔、絞盤、操作控制室等設(shè)施。

高強(qiáng)度系留綜合纜正是氣球與地面設(shè)備之間始終保持連接的纜，是保證系留飛艇正常可靠工作的關(guān)鍵器件，是其升空高度的決定因素。由于國內(nèi)尚未開發(fā)該類產(chǎn)品，因此也是氣球飛艇系留系統(tǒng)在國內(nèi)不能得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

2 根據(jù)使用特點(diǎn)提出產(chǎn)品的技術(shù)要求

由于該產(chǎn)品作為高空飛艇系留系統(tǒng)的“生命線”，因此必須認(rèn)真根據(jù)產(chǎn)品的使用特點(diǎn)及用戶的要求，提出產(chǎn)品的技術(shù)要求:

(1)可同時(shí)具備抗拉、傳電、通光三大功能;

(2)具備超高、高可靠的抗拉性能;

(3)具備超輕的單位重量;

(4)具有較好的柔軟性，可滿足反復(fù)收放及反復(fù)彎曲的性能要求;

(5)綜合纜中電單元發(fā)熱時(shí)應(yīng)對(duì)光纖性能以及綜合纜的機(jī)械強(qiáng)度均無影響;

(6)考慮小重量、大長度要求下綜合纜電單元壓降溫升問題;

(7)考慮光纖在大拉力、強(qiáng)壓力作用下的附加衰減控制;

(8)允許的最小破斷力不小于120 kN;

(9)允許的最小壓扁力不小于10 kN;

(10)試驗(yàn)裝置(設(shè)備)及試驗(yàn)方法選擇和確定;

(11)滿足避雷、防蝕、防紫外等環(huán)境其他要求。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選用

3.1 結(jié)構(gòu)的考慮

該綜合纜的電單元要求一般為三相四線制，如果按照傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)考慮應(yīng)為三個(gè)動(dòng)力線和一根地線組成，四根通電單元的導(dǎo)體直徑和絕緣厚度均相等。出于通信容量和保密等方面的考慮，采用光纖通信。也就是說，整根綜合纜至少有五個(gè)單元，即四個(gè)電單元和一根光單元，而這幾個(gè)單元的外徑大小基本相當(dāng)，這樣需在中心增加一根填芯，并形成1+5成纜后的纜芯結(jié)構(gòu)。為了減少綜合纜的外徑及單位長度重量，考慮到纜芯結(jié)構(gòu)較小，且在各個(gè)單元之間尚有一定的空隙，故最終結(jié)構(gòu)是將地線單元拆分為四個(gè)小的單元，分別放置于四個(gè)大單元的空隙之中。

3.2 絕緣單線

由于該綜合纜要給終端的設(shè)備供電，電纜中將通過很大的電流和較高的電壓，因此絕緣線芯必須為連續(xù)的單線，既無接頭和擊穿點(diǎn)，也無竹節(jié)和鼓包，并應(yīng)進(jìn)行全程火花檢測和測徑儀監(jiān)控。

在選擇絕緣材料及確定絕緣厚度時(shí)，要綜合考慮以下幾方面因素:絕緣材料的加工工藝、絕緣材料的耐壓等級(jí)、導(dǎo)體發(fā)熱對(duì)纜的影響、綜合纜的單位重量及外徑限制等。表1為三種絕緣材料的性能比較，經(jīng)綜合考慮，確定采用聚四氟乙烯作為絕緣材料。

表1 三種絕緣材料的性能比較

3.3 光單元

3.3.1 光單元的設(shè)計(jì)

光單元作為傳輸信號(hào)的載體是在整根綜合纜中最薄弱的一個(gè)單元，因?yàn)樵诓恍∮?20 kN的拉力及10 kN壓扁力的作用下，綜合纜光單元受到很大的縱向拉力及徑向的側(cè)壓力，如果不采取完善的保護(hù)措施，光單元將會(huì)產(chǎn)生明顯的附加衰減甚至于使光纖斷裂。為了有效地保護(hù)光單元，考慮幾種措施:一是采用聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)松套結(jié)構(gòu)，并在松套管外再擠包一層聚乙烯護(hù)層，起保護(hù)作用，或者是松套管采用鋼管，并在鋼套管外再擠包一層聚乙烯護(hù)層，起保護(hù)作用;二是采用芳綸纖維增強(qiáng)。

3.3.2 光纖在大拉力、強(qiáng)壓力作用下的附加衰減

光纖在受到外力作用時(shí)，無論是拉力還是壓力都將產(chǎn)生光傳輸衰減的增大，使光通信傳輸性能受到影響。通過控制光纖在套管中的合理余長，以及纜芯在成纜絞合時(shí)的合理節(jié)距，使光纖在0～60 kN拉力時(shí)光傳輸衰減不受影響;在60～120 kN拉力時(shí)僅受到輕微的影響，但產(chǎn)生的附加衰減控制在合理的范圍之內(nèi)。

3.3.3 考慮能承受10 kN壓扁力的光單元設(shè)計(jì)

普通型光纜通常要求承受3 kN壓扁力，而本產(chǎn)品要求承受10 kN壓扁力，因此，光單元必須有足夠的防護(hù)措施才能承受住如此大的側(cè)壓力。

常規(guī)的通信光纜是將光纖套入由高模量的聚酯(PBT)材料做成的松套管中，套管內(nèi)填充防水化合物，以確保良好的阻水防潮性能。松套管的優(yōu)點(diǎn)是比較柔軟，有較小的彎曲半徑;其主要缺點(diǎn)是抗側(cè)壓能力較差。另外一種方式是采用激光焊接不銹鋼管對(duì)光纖進(jìn)行保護(hù)。用這種技術(shù)生產(chǎn)的光單元，光纖余長得到很好控制，內(nèi)填充防水化合物，確保了良好的阻水防潮性能。該結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是抗側(cè)壓能力強(qiáng)，不足之處是柔軟性較差。當(dāng)纜繩應(yīng)用要求側(cè)壓力達(dá)到10 kN以上，持續(xù)時(shí)間1 min，光纖附加衰減小于1 dB，以及在壓力去除后光纖應(yīng)無明顯示殘余附加衰減時(shí)，考慮選用抗側(cè)壓性能較好的鋼管作光單元的“保護(hù)衣”。

3.4 護(hù)套

無論是光纜還是電纜或是光電綜合纜，護(hù)套的作用都是相同的，那就是保護(hù)纜芯免受傷害，確保內(nèi)部核心部件能夠長期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。常用的護(hù)套材料有PVC、PE及其為基礎(chǔ)材料的一些衍生材料，近年來聚醚型熱塑彈性體聚氨酯(TPU)材料逐漸被廣泛的應(yīng)用。

綜合纜要長期在空中工作，并且要反復(fù)進(jìn)行收放，且在收放的過程中極有可能和其他物體相互摩擦碰撞?；谝陨线@些考慮，護(hù)套的材質(zhì)就需要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，且耐磨。由于PVC材質(zhì)的護(hù)套機(jī)械強(qiáng)度低，耐磨性能差，因此被排除在外。TPU具有以下幾個(gè)主要特性:與橡膠一樣為極好彈性體(伸長率為 300%～600%);耐磨;耐寒(－40～70℃);耐油性(耐酸堿);耐水解;耐抗菌性;環(huán)保(可自然分解)，因此該材料是最佳的選擇。

3.5 加強(qiáng)件

3.5.1 加強(qiáng)單元的設(shè)計(jì)

系留綜合纜要實(shí)現(xiàn)抗拉力不小于120 kN的要求，以及在此拉力下，應(yīng)滿足相應(yīng)的電氣性能和通信性能的要求。這就需要使用大量的芳綸纖維，即使選用目前市場上最高強(qiáng)度及模量的芳綸纖維，芳綸纖維的截面也須高達(dá)120 mm2，而且要想讓如此多的芳綸纖維發(fā)揮到最大的效力，則必須注意如下兩點(diǎn):(1)當(dāng)芳綸纖維繞包(或絞合)時(shí)，繞包角即繞包的纖維與被包的線芯軸線之間夾角α要盡可能小，這不同于常規(guī)的繞包帶繞包，更像金屬絲的絞合，因此有時(shí)也可稱其為絞合;(2)必須使各芳綸纖維的張力盡可能均勻一致，這樣才可滿足設(shè)計(jì)的要求。

3.5.2 加強(qiáng)單元的試制

大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，首先必須確保單根芳綸纖維性能均勻和穩(wěn)定，拉力應(yīng)達(dá)到預(yù)期要求;其次要求繞包機(jī)的繞包頭張力均勻，使各盤放線張力均勻一致。在芳綸纖維繞包及護(hù)層擠制后，進(jìn)行拉力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖中可知，綜合纜的抗拉力可達(dá)120 kN及以上，光纖附加衰減不大于0.05 dB，完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 綜合纜拉伸試驗(yàn)

3.6 單位重量

綜合纜作為承力單元，拉住懸浮在空中的氦氣球，纜繩基本處在垂直狀態(tài)，因此，要求纜繩總重量不要過重，在滿足氣球浮力允許范圍內(nèi)，纜體越輕越好。因此必須選用芳綸纖維加強(qiáng)以及密度相對(duì)較小的各種絕緣及護(hù)套材料，同時(shí)在結(jié)構(gòu)和工藝上要使產(chǎn)品穩(wěn)定和緊湊。

3.7 電纜壓降研究

地面控制中心的電源設(shè)備發(fā)送一定的功率，經(jīng)綜合纜傳輸?shù)浇K端設(shè)備——?dú)馇蚧蝻w艇中相關(guān)設(shè)備，在傳輸?shù)倪^程中將產(chǎn)生一定的壓降。如果壓降很大的同時(shí)要使終端設(shè)備正常工作，則始端所施加的電壓就要升高，這樣就需要在始端增設(shè)增壓設(shè)備，使成本提高;其次，線路電壓越高，則要采用更高的安全措施。因此，宜在輸電線上采取相應(yīng)的措施;如果要降低電壓損失，則要增大導(dǎo)體線徑，這就會(huì)使系留綜合纜變粗、變重。因此，必須合理選擇導(dǎo)體的截面積，并在選定導(dǎo)體截面積后驗(yàn)證電壓壓降能否滿足使用的要求，為此進(jìn)行了如下工作:針對(duì)終端設(shè)備是感性還是容性確定對(duì)線路可能產(chǎn)生的壓降影響，分別用電爐、燈泡和電扇作為終端負(fù)載，經(jīng)過大量的模擬試驗(yàn)得出電線的壓降不僅與終端負(fù)載有關(guān)，而且與線纜的電感、長度、電阻有關(guān)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)控制好電感、電阻，可以獲得合理的線路壓降。根據(jù)傳輸線理論，可由下式求得線路傳播常數(shù)γ和線路波阻抗Z0:

由設(shè)計(jì)條件已知終端負(fù)載及終端電壓U2及電流I2的條件下，可由下式計(jì)算電路始端的電壓U1及電流I1為:

式中，R0為導(dǎo)線回路直流電阻(Ω/km);L0為導(dǎo)線回路上的電感(H/km);C0為導(dǎo)線之間的電容(F/km);G0為導(dǎo)線之間的電導(dǎo)(S/km);L為導(dǎo)線長度(km)。

以上公式僅適用于線纜直線狀態(tài)傳輸，當(dāng)線纜處于成圈狀態(tài)時(shí)，應(yīng)考慮其感性效應(yīng)對(duì)線路的壓降影響并另行計(jì)算。

3.8 環(huán)境性能考慮

綜合纜長期停滯在空中，需要應(yīng)對(duì)各種自然天氣條件，同時(shí)還要反復(fù)的進(jìn)行收放工作，因此要有很好的耐環(huán)境能力及很好的反復(fù)彎曲能力，其次附件裝置應(yīng)具備防雨和三防(防潮、防霉菌、防鹽霧)的能力。

4 結(jié)束語

和固有信號(hào)平臺(tái)相比，系留氣球(或飛艇)平臺(tái)系統(tǒng)具有卓越的靈活性、適應(yīng)性、隱蔽性。隨著科技的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@得進(jìn)一步的拓展，并將在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

系留電纜的成功研制和技術(shù)普及，將會(huì)解決高空系留系統(tǒng)的通用技術(shù)，對(duì)線纜行業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)的作用，并將在氣象、偵測、通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此具有一定的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］吳希再，熊信銀，張國強(qiáng)。電力工程［M］.華中科技大學(xué)出版社，2001.

［2］秋關(guān)源.電路［M］.高等教育出版社，2003.