系留氣球平臺及其可靠性技術(shù)研究探索

錢潔，劉志高，皇甫流成，彭偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.中國人民解放軍駐三十八所軍事代表室，安徽 合肥 230088）

0 引言

浮空器（包括了系留氣球和飛艇）的研制，當(dāng)下越來越成為飛機(jī)和衛(wèi)星不可替代的一種全新概念的空中平臺及飛行器，在軍事和民用方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，關(guān)于浮空器的預(yù)研工作國內(nèi)外已經(jīng)廣泛展開，但相關(guān)成果鮮有報(bào)道。到目前為止，對于浮空器方面的研究，特別是系留氣球方面的研究多涉足于其空氣動力學(xué)、氣動結(jié)構(gòu)、測控、軟件、通訊、球體結(jié)構(gòu)和防雷設(shè)計(jì)等方面的分析與研究，對系留氣球平臺可靠性技術(shù)研究方面的論文或內(nèi)容，國內(nèi)、外絕少涉及，成為該領(lǐng)域的一個(gè)薄弱點(diǎn)，這也是本文選擇以此作為切入點(diǎn)的原因所在。

針對系留氣球平臺開展可靠性技術(shù)的研究，對浮空器系留氣球平臺的穩(wěn)步發(fā)展，起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。它與地面設(shè)備和飛機(jī)、衛(wèi)星等的要求差別較大，有其獨(dú)特之處。對其研究，為浮空器留氣球平臺的研制奠定基礎(chǔ)。

1 系留氣球平臺

系留氣球是一種氣囊內(nèi)的浮升氣體獲得浮力，并用纜索栓系固定的浮空器。借助于系留纜索、氣動升力和剩余浮力，可以在空中特定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定高度、長時(shí)間駐留。作為空中平臺，適合搭載各種通訊、干擾、偵察和探測等電子設(shè)備。

根據(jù)需要，系留氣球的體積可從幾百立方米到幾萬立方米，升空高度從幾十米到四、五千米。按其規(guī)模，可分為大型陣地式和小型機(jī)動式兩大類。大型陣地式系留氣球體積一般在數(shù)千立方米以上，升空高度可達(dá)4 000 m以上，載重可達(dá)數(shù)噸，其特點(diǎn)是升空高度高、載重量大、探測距離遠(yuǎn)，適合搭載雷達(dá)等探測設(shè)備，主要用于對重點(diǎn)地區(qū)的長期預(yù)警保衛(wèi)；小型系留氣球平臺體積一般在兩、三千立方米以下，升空高度也在兩、三千米以內(nèi)，其主要特點(diǎn)是機(jī)動靈活、操作簡單、使用方便，適合搭載通信、偵察、干擾等電子設(shè)備，用途非常廣泛。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

進(jìn)入20世紀(jì)60年代，隨著氦氣開發(fā)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的普遍應(yīng)用，系留氣球的安全性能得以大幅度提高。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、高分子纖維材料、航空技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使得系留氣球進(jìn)入了實(shí)用化、裝備化的新階段。從越戰(zhàn)開始，美國在南越進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，用于證明系留氣球平臺作為VHF/FM通信載體的可行性。隨后，美國WestingHouse Electric公司成立了專門從事系留氣球研究的公司，也就是現(xiàn)今系留氣球界大名鼎鼎的TCOM公司。在美國的帶動下，系留氣球技術(shù)得以迅速發(fā)展。目前陣地式系留氣球在國際上應(yīng)用較廣，美國、科威特、沙特和印度等國家和地區(qū)均布置了大型陣地式系留氣球系統(tǒng)。在系留氣球領(lǐng)域，主要有美國的機(jī)動式偵察監(jiān)視系統(tǒng)（RAID）、系留式浮空器雷達(dá)系統(tǒng)（TARS）、聯(lián)合對地攻擊巡航導(dǎo)彈防御空中聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)（JLENS）等[3]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1989年國內(nèi)有30多家單位參與了系留氣球平臺的綜合論證工作。此后，高能所開展了系留氣球關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究，主要研究內(nèi)容包括：氣球的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、球體材料關(guān)鍵技術(shù)的研究與試驗(yàn)、多功能光電復(fù)合系纜的預(yù)先研究和系統(tǒng)整體穩(wěn)定性研究。1992-1996年，高能所作為總體單位承擔(dān)了小型實(shí)用型系留氣球系統(tǒng)的研制任務(wù)：氣球體積約350 m3，工作高度1 000 m，有效載荷45 kg。

90年代末，隨著任務(wù)需求的變化，同時(shí)也伴隨著相關(guān)技術(shù)的積累沉淀，使得我國自行研制中、大型系留氣球平臺成為了可能。國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)相繼開展了相關(guān)研究，國內(nèi)現(xiàn)有專業(yè)從事浮空器研發(fā)的單位主要有：中科院大氣物理研究所及高能物理所、中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所、中航二集團(tuán)605所、航天科工068基地近地飛行器研發(fā)中心、航天五院、山東平流層科技有限公司和北航、西工大、清華、上海交大、國防科大、中國科技大學(xué)等一些高等院校。

1.3 國內(nèi)系留氣球系統(tǒng)的代表性項(xiàng)目

我國目前公布的具有代表性的系留氣球系統(tǒng)主要包括：

a）350、400、BWQ450車載機(jī)動式系留系統(tǒng)

除了前文提及的高能所制作的350和400 m3系留氣球系統(tǒng)外，2004年，中電38所研制了BWQ 450車載機(jī)動式系留系統(tǒng)。該系統(tǒng)球體體積為450 m3，任務(wù)載重為160 kg（高度400 m）或100 kg（高度800 m時(shí)），其特點(diǎn)是機(jī)動靈活，使用、維護(hù)簡便，如圖1所示。

圖1 450車載機(jī)動式系留系統(tǒng)

b）系留氣球搭載寬帶無線接入系統(tǒng)

系留氣球搭載寬帶無線接入系統(tǒng)球體體積為1 200 m3，升空高度可達(dá)1 000 m，通信設(shè)備載荷80 kg。它的主要用途是利用系留氣球平臺裝載寬帶無線通信設(shè)備，擴(kuò)大通訊覆蓋范圍，解決 “山中通，動中通”的通訊問題。典型的應(yīng)用案例有諸如中電38所研制機(jī)動式系留系統(tǒng)的寬帶無線接入系統(tǒng)等。

c）機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)

機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)主要用于預(yù)警探測、通信中繼、電子干擾、電子對抗和圖象監(jiān)測等方面。球體體積在1 200～4 500 m3，最大升空高度1 000 m左右，任務(wù)載重120～200 kg，典型的應(yīng)用案例有如圖2所示的中電38所為上海世博會研制的機(jī)動式系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)，能夠同時(shí)搭載預(yù)警雷達(dá)、圖像監(jiān)控、氣象、環(huán)保和應(yīng)急通信等多種設(shè)備，完成對低空、超低空目標(biāo)和水面船只的預(yù)警探測，保障上海世博會期間指定區(qū)域的公共安全。

圖2 上海世博會系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)

2 系留氣球的系統(tǒng)構(gòu)成和技術(shù)分析

2.1 系留氣球平臺的構(gòu)成

系留氣球一般包含系留氣球平臺、地面保障系統(tǒng)和任務(wù)載荷3大部分，本文重點(diǎn)針對系留氣球平臺進(jìn)行研究。

系留氣球平臺按照結(jié)構(gòu)劃分包含氣球分系統(tǒng)、系留纜繩分系統(tǒng)和地面錨泊分系統(tǒng)3部分。氣球分系統(tǒng)包含球體結(jié)構(gòu)（主氣囊、副氣囊、尾翼、整流罩、頭錐、索具和設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)等）、球上電源設(shè)備、球上測控設(shè)備、球上通信設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)設(shè)備、防雷電設(shè)備和適航設(shè)備等；系留纜繩分系統(tǒng)包含光電復(fù)合纜繩、連接器和系留部件等；地面錨泊分系統(tǒng)包含地面錨泊車、纜繩收放裝置、地面操控裝置、地面電源設(shè)備、地面測控設(shè)備和地面通信設(shè)備等[2]。

2.2 已解決的主要技術(shù)問題

經(jīng)過多年的研究和技術(shù)積累，目前國內(nèi)已解決了多項(xiàng)系留氣球平臺設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要包括：

1）浮空平臺的總體設(shè)計(jì)技術(shù)；

2）浮空平臺的氣動分析和氣動布局；

3）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)；

4）軟式結(jié)構(gòu)及軟—硬件連接設(shè)計(jì)技術(shù)；

5）浮空平臺強(qiáng)度計(jì)算與分析方法；

6）浮空平臺的使用維護(hù)技術(shù)；

7）浮空平臺的通信與測控技術(shù)；

8）系留氣球的地面系留及保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)；

9）系留氣球的能源傳輸技術(shù)。

上述關(guān)鍵技術(shù)問題的解決，為我國自主開發(fā)研制系留氣球等浮空平臺產(chǎn)品提供了技術(shù)上的保障。

3 系留氣球平臺可靠性模型的建立

分析系留氣球平臺的使命任務(wù)，開展系留氣球平臺的功能分析，建立系留氣球平臺的基本和任務(wù)可靠性模型：不論哪類的平臺系統(tǒng)，按照功能劃分分系統(tǒng)，全都包含有系留收放設(shè)施、壓力調(diào)節(jié)控制、電源控制、檢測控制、通信控制、系留拉鎖與系留纜繩、球體和防雷等基本分系統(tǒng)組成單元。據(jù)此建立的典型可靠性模型[1]（展開到分機(jī)級）如下。系統(tǒng)的基本可靠性模型如圖4所示，任務(wù)可靠性模型如圖5所示。

圖3 基本可靠性模型

圖4 任務(wù)可靠性模型

4 系留氣球平臺的可靠性分配與預(yù)計(jì)

4.1 系留氣球平臺的可靠性分配

典型的一套系留氣球平臺的可靠性指標(biāo)為：MTBF≥50 h，MTBCF≥168 h；任務(wù)故障判據(jù)：不能完成系統(tǒng)功能，或發(fā)生必須回收氣球進(jìn)行修理的故障。

系留氣球系統(tǒng)的每個(gè)分系統(tǒng)失效率服從指數(shù)分布[1]，基本可靠性數(shù)學(xué)模型由可靠性框圖模型得出，因此整個(gè)系統(tǒng)的總失效率為：

式（1）中：λ——系統(tǒng)的失效率；

λi——各分系統(tǒng)的失效率；

MTBF——系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。

可靠性指標(biāo)MTBF的分配分為兩部分，對電子設(shè)備采用評分分配法進(jìn)行分配，根據(jù)在整個(gè)系統(tǒng)中4個(gè)電子系統(tǒng)的重要性、復(fù)雜性、環(huán)境條件和技術(shù)水平等因素，對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行初步的分配；對機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)備采用可靠度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具體的做法如下：

按其K/LLQF01系留氣球系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)：MTBF≥50 h，以1.5倍的系數(shù)對MTBF指標(biāo)進(jìn)行分配，則：

系統(tǒng)故障率 λ=1/MTBF=13 333（10-6h）。

4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)備部分的可靠性分配

a）系留拉索與纜繩

可靠度A=0.995，t=168 h（每次工作持續(xù)時(shí)間為： 7天*24=168 h）。

根據(jù)公式，故障率λ=-lnA/t=30（10-6h），則其MTBF=1/λ=33 333（h）。

b）球體和防雷

可靠度A=0.995，t=168 h（每次工作持續(xù)時(shí)間為：7天*24=168 h）。

根據(jù)公式，故障率λ=-lnA/t=30（10-6h），則其 MTBF=1/λ=33 333（h）。

c）地面系留設(shè)施（結(jié)構(gòu)設(shè)備）

可靠度A=0.99，t=168 h（每次工作持續(xù)時(shí)間為： 7天*24=168 h）。

根據(jù)公式，故障率λ=-lnA/t=60（10-6h），則其 MTBF=1/λ=16 667（h）；λ（結(jié)構(gòu)設(shè)備）=30+30+60=120（10-6h）；λ（電子設(shè)備）=λ（總）-λ（機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)備）=13 213（10-6h）。

4.1.2 電子設(shè)備的可靠性分配

對電子設(shè)備的幾個(gè)分系統(tǒng)，采用評分分配法進(jìn)行可靠性分配，表1中地面系留設(shè)施為其電子設(shè)備部分。按可靠性分配公式：

得分配如表1所示。經(jīng)調(diào)整計(jì)算，最后的各分系統(tǒng)分配結(jié)果見表2。

4.2 系留氣球平臺的可靠性預(yù)計(jì)

采用元器件應(yīng)力分析預(yù)計(jì)法及可靠度預(yù)計(jì)進(jìn)行兩輪的可靠性分析工作，對分系統(tǒng)基本可靠性與任務(wù)可靠性進(jìn)行詳細(xì)的預(yù)計(jì)，可靠性預(yù)計(jì)表見表2。

5 結(jié)束語

系留氣球平臺可以在時(shí)間和空間上填補(bǔ)飛機(jī)和衛(wèi)星的空白，非常適合搭載各類電子任務(wù)設(shè)備，在軍事和民用方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，目前世界各國都在競相開發(fā)和研制。系留氣球平臺作為我國新興的一種裝備，其使用范圍正在不斷被推廣。由于其屬于航空產(chǎn)品范疇，對可靠性、維修性、安全性和保障性的要求也越來越受到用戶的重視。進(jìn)行系留氣球產(chǎn)品的可靠性技術(shù)研究也是很有意義的工作。

表1 電子設(shè)備可靠性分配表

表2 可靠性分配與預(yù)計(jì)對照表

鑒于國內(nèi)外基本沒有公開的系留氣球平臺可靠性技術(shù)研究方法和應(yīng)用實(shí)例，本文以國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和教材為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)系留氣球平臺研制的一些經(jīng)驗(yàn)，對系留氣球平臺的系統(tǒng)構(gòu)成和技術(shù)進(jìn)行分析；分析系留氣球平臺的使命任務(wù)，建立典型的系留氣球平臺的基本和任務(wù)可靠性模型；針對系留氣球平臺的可靠性指標(biāo)要求，開展系留氣球平臺可靠性分配和可靠性預(yù)計(jì)。雖然本文的研究取得了一些成果，但由于時(shí)間和本人水平的限制，還有許多待完善和改進(jìn)之處，使其更具有實(shí)用價(jià)值。

[1]曾聲奎，王自為.可靠性設(shè)計(jì)與分析 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[2]趙攀峰，唐遜，陳昌勝.系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng) [J].航空科學(xué)技術(shù)，2008，（2）： 12-16.

[3]潘峰，王林強(qiáng)，袁飛.美國系留氣球載預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析 [J].船舶電子對抗，2010，33（5）： 32-35.