系留气球拉索汇流装置结构设计

系留气球拉索汇流装置结构设计

陈科

中国电子科技集团公司第三十八研究所 , 安徽省合肥市 230031

摘要：系留气球设备是高空飞行器的一种，在军事领域中发挥着重要作用。拉索汇流装置是该设备的重要组成部分，在实际应用中发挥着保证系留气球飞行安全性的职责，因此，我国科研人员对相关装置的研究力度不断提升。基于此，本文将结合浮空器设计规范以及拉索汇流装置的使用要求提出设计方案，并对方案的强度进行试验，明确设计方案的可行性，希望对相关工作人员提供设计经验参考。

关键词：系留气球；拉索汇流装置；结构设计

引言：在当前科学技术不断进步以及军事装备发展要求的条件下，系留气球发挥的作用不断提升。该装备在实际发展中可以搭载不同的电子设备实现防空预警、电子对抗、通信中继、空中侦查等功能，因此被广泛应于军事领域以及反恐缉私中。拉索汇流装置在实际应用过程中主要承担系留气球升空以及滞留高空期间，将固定缆绳荷载均匀分散至拉索上，进而实现保证设备安全性的目的。因此，加强对提升该装置设计质量的研究具有中要现实意义。

1. 拉索汇流装置结构设计思路及原则

在系留气球设备整体结构布局之中，拉锁汇流装置主要设置在气球下方与缆绳相接的部分。传统设计理念中，该部分主要采用刚性连接方式，实际应用过程中无法进行横向或纵向偏转，进而导致系留气球在高空飞行过程中一旦受到自然风的影响，缆绳与气球相接的部分极易出现应力集中的情况，进而导致缆绳弯曲或磨损程度较大，大幅降低缆绳强度威胁气球飞行安全性，此外，一旦因缆绳断裂导致气球逃逸也会造成不可估量的灾难性后果。因此，在对系留气球拉索汇流装置进行设置过程中应注意充分满足以下两点要求：第一，汇流装置在实际应用过程中应将缆绳所受集中荷载传导至气球上；第二，汇流装置在实际应用过程中应具备化解气球在高空作业过程中俯仰以及偏转情况时所产生的弯曲应力^[1]。

在实际进行设计过程中应注意充分遵循以下原则：

1. 贯彻标准化、系列化、通用化的“三化”原则，将结构进行合理分解，使其形成一套标准化的结构体，满足提升结构安全性以及维护便利性的目的，进而实现在降低设计工作负荷的前提下，提升结构设计方案质量，减少生产周期与成本的目的^[2]。

2. 在保证设备结构有效性的基础上充分利用现代高新材料、先进生产工艺，同时在简单合理的结构设计理念的指导下进行设计，落实轻量化原则^[3]。

3. 设计人员在实际工作过程中应注意在满足功能性要求的前提下，应满足装置先进性与机动性的应用要求。在实际应用过程中，使用者可以根据实际需求，将装置分解为若干组建，并进行分别运输，在到达使用区域后可以快速组装并投入使用^[4]。

2.拉索汇流装置结构设计方案

2.1结构形式与组成设计

为满足化解系留气球高空作业过程中产生的应力以及集中荷载，因此，在对拉索汇流装置结构进行设计时采用万向托架结构形式，该结构主要由置成本、U型支架、转向环以及定位销构成，实际应用过程中U型之间以及转向环可以各自偏离一定角度以实现化解系留气球横向或纵向偏转产生的应力集中情况，进而实现确保飞行器安全的目的。

支撑板构件在实际设计中被限定安置在U型支架内部，仅能相对于U型支架进行垂直方向的移动。支撑板两侧设置有定位销，主要功能为限定支撑板构件活动方向。支撑板部分上部设置有测力装置，实际运行过程中可以通过U型支架以及支撑板支架的相互挤压动作实现测力目的。转向环构件利用螺栓固定方式安置在U型支架下方，实际运行过程中可以将螺栓部分视为旋转轴并进行旋转动作，根据实际需求转向相应角度。拉索汇流装置在实际应用过程中主要利用支撑板与转向环分别于系留气球上下缆绳相连。

系留缆绳组件与转向环之间通过螺栓连接，系留缆绳组件可以以螺栓为旋转轴旋转相应的角度。

在系留气球驻留在地面期间，设备直接通过拉索固定在锚泊设备上，此时，拉索汇流装置处于两端不受力状态，因此，本设计方案布局中，定位销构件在此时所处的位置为U型支架腰形孔最下端，测力设备与U型支架之间处于完全相分离的状态，因此，测量装置显示值为零。

当系留气球装置处于升空与滞留高空状态时，上拉索部分在升力作用下会牵动支撑板做竖直方向垂直向上运动，同时系留缆绳则会牵引U型支架以及转向环等构件做垂直向下运动，上下两方向的相对运动引发支撑板构件对测力设备的挤压，此时所测量的数值即为系留气球设备在空中的净浮力数值。当系留气球在高空中受到自然风影响产生横向或侧向翻转时，此时汇流装置中的转向环会以螺栓为旋转轴转向相应角度，进而实现消解弯曲应力的目的，最大限度地提升系留缆绳性能可靠性，保证系留气球飞行安全。

2.2结构材料选择

从系留气球本质层面分析，拉索汇流装置应归属于航空结构件种类，此类构件在实际应用过程中需要承担巨大荷载，这就对结构材料的强度、韧性等条件提供极高地要求。

本方案设计中，对不同材料性能参数进行详细计算，并最终选取30CrMnSi结构钢作为材料。该材料主要应用于齿轮、离合器等对特殊耐磨以及强度要求较高的重要构件生产上，强度以及韧性有保障，同时加工性能以及抗疲劳效果也满足实际应用需求。同时考虑到高空环境下装置需要面临恶劣的工作环境，因此，本设计中采用镀锌钝化处理工艺对装置表面进行处理，通过电化学保护膜实现提升装置耐腐性能的目的，同时该工艺成本较低，完全满足经济性要求。

3.拉索汇流装置设计方案强度检验

本文在完成方案设计后，利用计算机仿真分析技术对装置进行力学分析，并得出本设计方案整体结构强度满足1.5倍安全系数的结论。因此，本文在实际分析中对装置进行静力强度试验以实现进一步验证设计方案可行性的目的。该装置的设计使用载荷与最大载荷指标分别为38kN以及57kN，因此本次试验也依托于此指标进行设计。

本次静力试验采用卧室支架连接装置与试验设备，通过将装置一端固定在支架，随后将另一端与加载装置相连的方式进行试验，通过荷载传感器获取装置受力情况，最终得出如表1所示结果。

表1 装置静力试验结果

总结：综上所述，在当前时代背景影响下，系留气球的应用意义不断提升，由此，对系留气球应用安全性的研究具有重要现实意义。本文在研究中针对系留气球中拉索汇流装置这一部件的设计优化问题进行研究，通过对整体结构、材料以及处理工艺等进行优化得出具备可行性的装置设计方案，经过力学分析以及强度试验，可以看出本方案完全具备使用价值，由此也可以为设计人员提供经验参考。

参考文献：

[1]朱训宁. 系留气球应急放氦装置布置设计[J]. 科学与

财富, 2019, (023):367.

[2]张志富, 肖益军, 王平安. 系留气球空中系留系统研究[J]. 西安航空技术高等专科学校学报, 2011(03):14-16+20.

[3]李冠林, 杨潇文, 李旭. 一种系留气球试验器的设计与实现[J]. 电子测量技术, 2019, 324(16):84-89.