国外微/小型系留气球概述

2018-01-17 11:39:23

来源:

摘要

微/小型系留气球具有结构紧凑、快速部署的特点,广泛应用于各领域。介绍了国外微/小型系留气球的发展现状,列举、对比了常规和非常规两类微/小型系留气球的结构特点和应用。针对系统紧凑性、机动性和快速部署能力等方面,梳理了研制和应用的关键技术,为国内微/小型系留气球的发展提供参考。
1 引言

系留气球是使用系缆与地面锚泊设施连接,依靠球体内氦气产生的浮力悬停在空中,并可控制在大气中飘浮高度的气球。作为一种浮空平台,系留气球具有滞空时间长(连续滞空时间从几天至一个月),耐候性强,部署简单灵活,效费比高等特点;可为球载设备提供较大的对地视界范围,滞空高度越高,覆盖范围越大;可用于大气环境监测、预警、电子对抗、技术监察与监视、超长波通信以及信息中继等民用和军用领域[1]。

系留气球有多种分类方法,按球体结构可以分为常规系留球和非常规系留球;按体积大小可以分为微型、小型、中型、大型、特大型和超大型系留球,其分类如下表所示,除微型和小型系留气球会存在非常规型,其他均为常规系留气球;按应用领域可以分为军用和民用,军用又可以分为ISR、通信中继和安全预警型等。

表1不同体积系留气球分类及其性能表

类别

体积/m3

高度/m

载荷/kg

抗风

微型

5-20

≤200

5

五级

小型

20-200

≤500

50

六级

中型

200-2000

≤2000

200

八级

大型

2000-5000

≤3000

300

十级

特大型

5000-10000

≤5000

500

十级

超大型

≥10000

≥5000

≥500

十级

大型、特大型和超大型系留气球升空高度大、带载量大、滞空时间长,经常用于战略部署,得到各国军方重视,典型的应用系统有美国的JLENS系统和俄罗斯的PUMA系统[2],但大型系留气球系统构成复杂、造价昂贵,对锚泊设施和发放场地的要求较高,进而限制了大规模应用。中型常规系留气球相对小型系留气球滞空时间长、可靠性高、带载量大又可灵活布置载荷,相对于大型系留气球机动性强、容易部署、成本低,因此无论在军事活动还是在民用中都得到广泛应用,典型的应用系统有美国RAID系统、PGSS系统和PTDS系统[3]等。近年来,随着任务载荷的小型化以及对机动性要求的提高,微、小型以其轻巧紧凑的结构和快速部署能力迎合了应用需求,因而得以广泛应用于反恐冲突中单兵侦察、战术部署和快速应急通信等任务。

随着现代电子技术、高分子纤维囊体材料、球体设计、风洞试验、系缆、压力控制等技术的进步以及应用需求的增加,系留气球的发展经历了一个由小到大、由简单到复杂的发展历程。目前,随着载荷集成化程度的进一步提高,以及应用任务向着综合化和单一化两个方向的发展,系留气球的发展趋势也出现了两级分化——超大型的战略系统和微/小型战术系统。

本文重点介绍国外几款已成功应用的微/小型系留气球系统,按球体构型可分为两类:常规系留球-采用常规流线型球体和非常规系留球-采用扁圆形球体。 

2 微/小型系留气球现状

2.1常规型系留气球

2.1.1TCOM12MTM战术系留气球

TCOM12MTM系留气球是美国TCOM公司研制的战术系留气球,可以在中等高度为载荷提供稳定平台,它延续了TCOM15M、TCOM17M的简约设计理念:结构紧凑,高度便携,非常适用于快速、战术部署和地面观测应用。其典型应用是应急响应小组(EmergencyResponse Team)用于安全保卫和通信任务。它也可以用于海军部署,既可以沿海岸线布置,也可以直接部署在船基平台上。

TCOM12MTM非常适合携带各种轻型载荷。它适用于在40节(20.6m/s)稳定风速下操作,也可以在50节(25.7m/s)风速下锚泊,可在20节(10.3m/s)风速下发放和回收。TCOM12MTM长度为12m(TCOM产品均以长度命名),体积为6000ft3(184.0m3),初始充氦气体积约为45000ft3(1274.2m3)。TCOM12MTM在20℃下可以携带60lb(27.2kg)载荷到1000ft(304.8m)高度,最大滞空时间为5天。TCOM12MTM系统总重为3800lb(1723.6kg),可整合为大小7×7×7ft3(2.1×2.1×2.1m3)的模块,用标准军用卡车即可运输。TCOM12MTM发放只需要直径80ft(24.4m)的发放场地。发放回收操作只需3个人,并可在2小时内进行部署。

TCOM12MTM的航空电子设备包括一个轻量动力压力远程自动快速展开装置(Power-Pressure-Telemetry-Automatic  Rapid Deflation  Device,简称PPTARDD)、天气传感器和球载线缆。系统数据通过系缆中的光纤由球载传感器传到地面计算机中。远程系统为操作者提供至关重要的飞行和性能参数、天气数据(包括温度、气压、风速风向、GPS位置等)。地面远程计算机提供载荷和系留气球系统参数的监测。所有的系留气球装备均安装在主气囊腹部。其载荷是宽视场运动图像监测和目标追踪系统,安装在系缆之上,如图2所示。[7]

                       

图1锚泊状态下的TCOM12MTM

图2TCOM12MTM的载荷安装形式

2.1.2REAP系留气球系统

REAP(RapidlyElevatedAerostat Platform,快速部署系留气球平台)由LockheedMartin公司和ILS-BOSCH公司联合研制,是一种提供紧凑型、高度便携、快速部署与回收的ISR系统[8]。系统包括:载有光电系统的系留气球,ILSMK1昼间和夜间摄像机,Raytheon公司研制的IR红外装置(从100m高度对目标的探测距离估为35km,当漂浮在300ft(91.4m)高度时,REAP上的传感器能覆盖18mile(29km)的地面区域,以及安装在“悍马”汽车上的地面设备。

REAP系统的设计适合各种任务,可以通过调整主气囊体积和系缆长度来调节升空高度。其载荷数据通过无线转换器传送到地面控制中心。REAP的综合基础安装界面装备允许安装到任何卡车或中等尺寸车辆(包括锚泊系统)之上。

图3REAP系留气球运输及部署照片

REAP系统的结构如下图所示,长度为39ft(11.9m),体积为5000ft3(141.6m3),可快速移动到指定区域部署,只需2名操作员即可在15min内自动展开、3名操作员在10min内回收。REAP最大可提升120lb(54.4kg)载荷至1000ft(304.8m)高度,其最长滞空时间为6天。

图4锚泊状态下的REAP系统

REAP系统主要部署在阿富汗喀布尔、坎大哈和其他任何美军集结或感兴趣地区,它能够在5min内快速展开。其战术单元可以在白天、夜晚甚至微光情况下(比如雾、霾、烟等)提供ISR、火力保护、发现和识别目标。

图5阿富汗天空中的REAP监视气球

2.1.3其他微/小型系留气球系统

除TCOM12MTM和REAP之外,还有许多其他公司的微/小型常规系留气球,比如RIVEN公司的TIF系列[9]、世界观测组公司的 “盒子飞艇”(BiB)等。

表2RIVEN公司微/小型系留气球参数表

型号

长度

ft/m

最大直径

ft/m

最大载荷

lb/kg

飞行高度范围

AGL(ft/m)

TIF-6500

49.8/15.2

17/5.2

279/126

0-8000/2438.4

TIF-4500

44.4/13.5

15/4.6

128/58

0-3000/914.4

TIF-3750

41.1/12.5

14/4.2

109/49

0-3000/914.4

TIF-2675

36.2/11.0

12/3.7

85/38

0-3000/914.4

TIF-1600

31.5/9.6

11/3.3

36/16

0-2000/609.6

 

图6TIF-6500

2.1.4小结

综合来看,此类系留气球系统一般用于需要快速部署——军事上的对地观测或者民用上的通信任务。其长度一般小于15m,体积小于200m3;最大滞空时间为3-10天不等;最大升空高度除RavenTIF-6500可升至900m以外,其他最大升空高度为300m;一般需要1-3人操作;最大可携带载荷50kg。

2.2非常规型系留气球

2.2.1RT公司系留气球系列

Skystar系列系留气球由以色列RT技术公司研制,包括Skystar100、Skystar180、Skystar220、Skystar250、Skystar300,以及最新款Skystar330。

Skystar系列系留气球是一种单兵系留气球系统,仅依靠两人即可实施操作的低空浮空平台系统,系统主要包括球体、系缆(含供电、数传)、绞盘、气瓶、载荷及其控制接收装置组成。

Skystar100全系统可打包至一个或两个背包中,由单兵背负。气球直径2.8m体积约12m3,系统总重8kg,载荷重量2.5kg,升空高度100m,探测范围1km,目标辨识范围500m,可以拍摄高清的图片和视频。[10]

 

图7以色列单兵系留气球Skystar 100系统

在2014年7月和8月加沙边境的冲突中,以色列沿边境部署了13套Skystar300系留气球系统,如图8所示。该球直径7.7m,体积100m3,部署时间仅需要20min。该系统可以在350m高度搭载50kg的载荷,其连续工作时间长达72h,抗风能力达到20m/s。目前,RT气球系统已被以色列、阿富汗、墨西哥、泰国、加拿大、非洲以及俄罗斯使用。[11]

 

图8Skystar300 系留气球系统

2.2.2AllsoppHelikites公司系留气球系列

AllsoppHelikites公司开发了一系列系留气球产品,包括Skyhook系列、Skyshot系列、DesertStar系列、Rescue系列,各系列系留球尺寸各不相同,应用范围也各种各样。本节以DesertStar 系列为例,介绍其产品特征。[12]

 

图9AllsoppHelikites公司系列系留气球产品

DesertStar针对恶劣和风沙天气情况而采取了特殊设计,球体分为内外两侧,内层采用聚氨酯材料,内充氦气以提供浮力和保持球体外形,外层保护膜采用为高比强材料,能使球体免于腐蚀和打击。DesertStar最大飞行高度为几千英尺,可以在恶劣环境中布置和操作,这一点特性比所有其他任何尺寸系留气球都优秀。此系留气球没有易损坏的电子元器件,没有易破的副气囊,身形小巧——远小于其他类型系留气球,驻空高度较高——大于一般火力范围,即使DesertStar受到子弹攻击,也不会很快失去氦气,仍能够维持驻空高度很长时间,方便时即可将它收回进行补救,即使不可补救,其内部气囊也可以在几分钟之内完全换掉,因此其生存性能极好,世界范围的使用也肯定了其强度和优秀的天气适用能力。DesertStar系列参数特征见表3。

表3  Desert Star参数特征表

系留气球

类型

体积

(m3)

无风时载荷能力(kg)

15节风时载荷能力(kg)

最大抗风能力(节)

无载荷最大升空高度(ft/m)

长轴

(ft/m)

短轴

(ft/m)

Desert Star

5

1.0

9

40

2000/609.6

10/3.05

7/2.13

Desert Star

6

1.5

9

40

2100/640.08

10.5/3.2

7.5/2.29

Desert Star

8

2.5

10

42

2500/762

11/3.35

8/2.44

Desert Star

10

3.0

10

45

3000/914.4

12/3.66

9/2.74

Desert Star

15

5

12

46

3500/1066.8

14/4.27

10/3.05

Desert Star

20

8

16

48

4000/1219.2

16/4.88

11/3.35

Desert Star

24

9

23

50

4500/1371.6

20/6.1

13/3.96

Desert Star

34

14

30

50

6000/1828.8

22/6.71

15/4.57

Desert Star

45

20

40

50

7000/2133.6

24/7.32

18/5.49

Desert Star

64

30

70

60

9000/2743.2

26/7.92

19/5.79

Desert Star

75

35

75

60

10000/3048

28/8.53

20/6.1

Desert Star

100

50

100

60

11000/3352.8

32/9.75

22/6.71

自从2005年制作第一只DesertStar以来,已有很多该系列产品投入使用,目前无一损坏。所有这些用于英军和美军在阿富汗战场的系留气球依然在服役,用于其他行动中的系留气球也是一样。

2.2.3其他非常规微/小型系留气球

与RT技术公司的Skystar系列和AllsoppHelikites公司的系留气球类似,还有SkySentry公司的TEA-45,CarolinaUnmanned Vehicles 的STMPAS[13],以及Drone  Aviation Holding公司的战术系留气球等此类非常规构型系留气球系统。

 

图10 Drone  Aviation  Holding公司的战术系留气球

2.2.3小结

非常规微/小型系留气球的球体一般为扁球体,内部无副气囊,靠“风兜”或带龙骨的“尾翼”稳定球体,一些产品还可调节球体压力或提供附加升力。非常规构型系留气球的体积一般小于100m3,相比常规流线构型的系留气球,体积/面积比较高,在承受同样载荷能力的前提下,更加轻巧紧凑、容易部署,一般只需1-2人操作即可,最大升空高度一般小于300m。

3微/小型系留球的结构

通过上述微/小型系留气球案例可以看出,常规系留气球与非常规系留气球的结构有着非常大的区别。以下将详细介绍两种系留气球的结构。

3.1常规系留气球结构

常规系留球结构的显著特点是其球体为流线型球体,一般由球体、测控、供电、系缆、锚泊设施以及应用载荷等组成。

以TCOM12MTM为例,如图11所示,其球体为流线型,长细比一般由风洞试验和飞行试验确定,具有良好的气动稳定性。球体结构包括主气囊(图中1所示位置)、副气囊(在主气囊内部,未标注)和尾翼(图中2所示位置),主气囊内充氦气以提供浮力;副气囊内充空气,副气囊设有排气和充气装置,以在球体升降过程中通过充入/排出空气保持球体压力(也有些系留气球球体不设置副气囊,而通过气囊材料的超压能力承受升降过程中球体的压力变化)。尾翼的作用一是使球体保持迎风,二是使球体具有一定的气动稳定性,一般为倒“Y”型,可以是充气或张拉膜结构。系缆(图中4所示)包括多个侧系缆和一个主系缆,侧系缆分成多股,将力分散在球体侧面;主系缆连接在球体的主节点上,从而保证在载荷重量改变时不会影响系留气球仰角。多个侧线缆也可以为载荷提供安装空间(也有些系留气球的载荷固定在球体腹部);主系缆为复合缆,集成了承力缆(一般为复合材料织物如芳纶)、供电缆(一般为高压)和通信缆(可以是电缆或光缆),不仅提供拉力约束球体,还可以为艇上设备提供能源和传输载荷数据。测控、配电设备以及载荷(图中3所示位置)一般安装在球体腹部或系缆之上。锚泊设施(包括氦气储存装置)需特殊设计,包含自动快速展开装置,可以由小型卡车改装而成,以便快速机动。

 

图11TCOM12MTM系留气球

3.2非常规系留气球结构

非常规系留球结构一般也由球体、测控、供电、系缆、锚泊设施以及应用载荷等组成。与常规系留气球的流线型球体不同的是,非常规系留球的球体为扁球形,这种形状受温度、压力和海拔影响最小,同时,扁球体在一定攻角下也可以产生气动升力,进而提高球体负载能力;球体结构可以是单层结构——如Skystar或双层结构——如DesertStar,一般无副气囊(也有些因驻空高度较高设置副气囊,如Skystar330);“尾翼”可以是半硬式或软式结构,如美国AllsoppHelikitesLtd 的DesertStar Helikites采用了半硬式结构,以色列RT公司的Skystar系列则为软式结构。以下将分别介绍两种结构形式。

采用半硬式结构的DesertStar Helikites结构如图2所示,其中,1为球体,2为张拉膜“尾翼”,其作用一是提供额外的气动升力,二是作为风标使球体保持迎风方向,使球体具有一定的稳定性。3、5、6、7为张拉膜“尾翼”的龙骨,它们的存在使该系留气球构型成为半硬式球体结构,其中5是主龙骨,3、6、7为加强结构,也可以为载荷提供安装平台。龙骨可以在图中19龙骨出口处抽出,以方便运输。4为长度可变的拉绳,通过该拉绳约束球体体积可以改变球体压力,这种特殊结构可以不改变球体结构而使球体体积变化,因此不需要复杂的副气囊,这样可以适应不同海拔、不同温度的天气,也可以保证艇囊保持压力。图中9为操作绳,可单人操作,11、12为载荷舱,20、21、22、23均为载荷安装位置,18为天线安装位置,8为前安装点,10为中安装点,13、14为拉袢,15为氦气充气阀门。

图12Desert Star Helikites——半硬式系留气球结构

软式非常规系留球结构与半硬式相比没有硬式龙骨,“尾翼”结构以软式风兜代替。Skystar系列系留气球即采用了软式结构,如图3所示,其中1为扁球体。2为风兜,作为“尾翼”为球体提供稳定性。3为操作绳,在系留气球发放和回收时由操作员控制球体稳定。4为载荷,5为氦气充气阀门,6为拉绳,可以通过其伸缩调整球体体积进而调整球体内部压力。

 

图13  Skystar300结构

3.3两种结构对比

上述几种系留气球结构虽然其外形各异,但是各部分作用却极其相似。下表对比其相似点与区别。

表4不同结构系留气球结构对比

类型

相似点

常规结构

TCOM12MTM

非常规半硬式结构

Desert  Star Helikites

非常规软式结构

Skystar300

球体

流线型

扁球体

扁球体

“尾翼”

倒“Y”尾翼

张拉膜

风兜

压力控制

副气囊

龙骨拉绳

球体拉绳

其他

具有载荷、操作绳、充氦气阀门、系缆

由表格可以看出,不同系留气球均包含了提供升力的球体,起稳定作用的“尾翼”;可以通过球体内部的副气囊或球体外部拉绳结构调整球体压力;主系缆集成了光、电线缆以为载荷供电和传输数据;结构附件均包括操作绳、充气阀门等结构。

4 微/小型系留气球关键技术

微/小型系留气球与其他浮空器相比,其优势在于系统紧凑性、快速部署能力、机动性和成本低等,这些特性与它的关键技术息息相关。首先其系统紧凑性取决于系留气球平台的总体设计优化技术,这一技术同样决定了其机动性和成本控制,另外系留气球平台的快速部署能力取决于其锚泊和发放设施的性能。

4.1总体设计优化技术

微/小型系留气球平台的总体设计优化技术需要综合考虑系统的浮力和自重、环境承受力、成本等多种因素。

系留气球平台使用的前提是有足够的浮力使其维持在要求的驻空高度,此时优秀的系统应该有以下特性:较强的环境承受力,从而可以适应不同恶劣环境(如大风、风沙、高温、低温、酸雨等),这需要球体材料具有较高的强度,且有防老化、抗腐蚀等附加性能,也需要系缆强度足够好;较小的自重,从而允许携带更重的载荷,这需要球体的材料和系缆有较高的比强度;成本低,其前提是满足前述特性的同时降低系统成本,这需要对系统进行分析和计算,选取合适的强度裕度,并尽可能采用成熟产品和技术,以降低成本。综合来看,要满足这些特性都需要开展系留气球平台的总体优化设计。

4.2 锚泊和发放设施设计

锚泊和发放设施的设计对整个系统至关重要,它不仅能使整个系统正常运行,还决定着系统的部署速度和机动性。锚泊和发放设施应该具备以下特性:自动充气和自动发放能力,这不仅可以简化操作、减少操作人员(1-3人),还可以减少操作时间(一般要求30min以内);模块化,这一特性可以使整个设施方便安装使用,方便运输,增加其机动性,一般整系统可以用标准卡车运输。

国外已经成功应用的锚泊和发放设施包括TCOM12MTM的轻量动力压力远程自动快速展开装置(PPTARDD),REAP的基本单元(BasicUnit);SkySentry公司的战术应急系留气球平台(TMP)等。

图14TMP

5展望

微/小型系留气球作为一种成熟的战术部署浮空器,结构紧凑,可快速部署、快速移动,越来越受到军事作战和民用通信的青睐,在各应用领域均发挥了重要作用,其价值愈发凸显。目前,微/小型系留气球在各大国均达到成熟的工程化应用,国内包括中国科学院光电研究院在内的相关单位也在积极的研发相关产品,我们在发展微/小型系留气球平台时应该有所侧重,避开短板而发展自身优势。鱼和熊掌不可兼得,我们可以适当的摒弃大型系留球所具备的一些特征和作用,而注重自身的灵活轻便的特性,当然,在发展过程中会遇到一系列与各个学科相关的困难,比如较高比强度的球体材料的研制、更轻便且高强度线缆的研制、轻便而模块化的锚泊与发放设施的研制等,这些困难会随着复合材料、机械工程、光电集成等各个学科的发展以及在系留气球科研人员不懈努力下逐一解决,日后微/小型系留气球平台必将能在国内飞行器市场上占据重要的一席之地。

相关阅读