系留氣球是使用纜繩將其拴在地面絞車上並可控制其在大氣中飄浮高度的氣球。升空高度2km以下，主要套用於大氣邊界層探測。
系留氣球是一種依靠氣囊內的浮升氣體獲得浮力，並用纜索拴系周定的浮空器。藉助於系留纜索、氣動升力和剩餘浮力，可以在空中特定範圍內實現定高度、長時間駐留。
基本介紹
- 中文名：系留氣球
- 性質：升空高度2km以下
- 用途：套用於大氣邊界層探測
- 類型：流線型
特點,套用,系留氣球安全性,設計要求,囊體設計,頭錐設計,系留系統設計,地面系留設施設計,防雷系統設計,
特點
為使氣球有良好的穩定性，有時做成流線型，橫放在空中。球內充氫或氦氣。氣球可攜帶自記儀器、無線電遙測儀器；或可通過纜繩傳送信息的儀器；也可掉掛儀器在幾個預定高度進行梯度觀測。用聚酯薄膜製作的大型球，可帶幾十公斤的儀器。觀測項目除溫、濕、壓、風等氣象要素外，還用來觀測臭氧以及大氣污染監測，能在一段時間（幾小時至幾十小時）內連續測量它們的變化。但在強風條件下操作困難，也不宜用作長時間的連續觀測。
系留氣球是一種無動力氣球飛行器。氣球用系纜與地面設施連線，球體內充氦氣，依靠浮力懸停在空中。
一個系留氣球系統一般由球體、系纜、錨泊設施、測控、供電等主要部分組成。球體為全柔性結構，由多功能柔性複合材料製成，外形一般採用流線型。球體尾部的尾翼多採用十字布局或倒Y形布局。球體內部分成充有氦氣的主氣室和充有空氣的副氣囊兩部分，氣球的浮力由主氣室提供，副氣囊則用於調節球體的壓力，使球體始終保持較好的剛性。
系留氣球的工作高度取決於氣球體積、載荷重量和系纜重量等因素，一般從幾百米至3000米。系留氣球的抗風能力與球體的氣動特性、布局、淨浮力和體積大小有關。小型系留氣球的抗風能力一般為5、6級，大型氣球可達8級以上。
套用
作為一種升空平台，系留氣球可為球載設備提供較大的對地視界範圍，滯空高度越高，覆蓋範圍越大。系留氣球可用於大氣和環境監測、緝私等民用領域，在軍用領域，一般多用於預警、電子對抗、技術偵察與監視、超長波通信、信息中繼等方面。
系留氣球安全性
系留氣球系統是一個比較複雜的系統，包括電源分系統、壓力調節分系統、測控分系統、通信分系統、防雷分系統和地面系留分系統等。其安全性可以從人、機、環境、管理等四個方面考慮。人在設計過程中考慮不周，設計中存在某些未知的缺陷；在組裝、安裝過程中，沒有嚴格按照規範要求執行，使設備安裝不到位。機的不安全性狀態主要包括設備故障、材料老化和系統中存在的可能發生意外釋放的能量或危險物質。環境因素主要指惡劣的自然環境，包括大風、強降雨、冰、雪和雷電等；突然的大風，使系留氣球在空中顛簸，失去平衡；雨、雪和冰集於囊體和尾翼上，增加系留氣球的重量，降低淨升力，惡化系留氣球的空氣動力性能，使系留氣球處於危險的緊急情況下；強大閃電電流引起溫度劇增，強電磁力、衝擊波造成囊體和系留纜繩等損傷，瞬間電磁場迅速變化，造成系留氣球上電子設備損壞。管理主要指安全管理制度和機制不完善，對人員安全教育不夠，致使人員不能夠嚴格按照規程辦事，違規操作，導致設備損壞，人員受傷害。
設計要求
囊體設計
囊體作為系留氣球的主要結構，承受著系留氣球上的所有載荷，要具有一定的抗風能力，特別是在突風的衝擊，要有足夠的強度。在各種載荷作用的條件下，具有承受環向應力、剪下應力的能力；有時還要滿足承受撕裂力的要求，對懸掛系統來說還要考慮其他的附加應力。囊體的整體和某特定部位的強度和剛度受囊體截面積、內壓大小等多種因素的影響，隨飛行高度和環境溫度以及運動狀態的變化而變化。
由於氣球囊體材料只能承受拉力的特性，致使囊體材料總體剛度只能由內壓維持。當內壓一定時，張力與囊體半徑成反比，即當囊體較大時，應選擇拉伸強度和撕裂強度比較大的材料，當囊體較小時，應選擇拉伸強度和撕裂強度比較小的材料。
囊體材料的選擇主要考慮輕質、高強度、高氣密性、良好的耐候性、高比強度、高抗曲撓、耐揉搓和良好的耐磨性，尤其是主氣囊材料要考慮耐臭氧和對各種射線(紫外線)的反射及其他環境因素的影響。應通過對主氣囊及其典型部位的安全性分析，選擇強度比較高、環境適應性較好的的材料，提高囊體的強度設計，使囊體的破壞失效機率降到最小。
頭錐設計
頭錐固定在囊體的頭部，使系留氣球在地面系留時，很好地固定在系留塔上。頭錐應該設計成便於系留和脫系的旋轉機構，採用高強度鋼和鋁合金製造，保證有足夠的強度裕度，安全係數最小應大於2。為了防止地面系留時頭錐從系留鎖中意外脫開，應增加其他地面系留輔助設施，使頭錐直接與系留塔連線，充分增加系留氣球地面系留的安全性。
系留系統設計
系留系統主要包括系留拉索、機械拉索和系留纜繩。系留拉索分布在囊體的兩側，相對於氣球縱向平面對稱，用於將系留氣球的淨浮力載荷集中傳到系留纜繩。機械拉索也是分布在系留氣球兩側，只在地面系留時，連線在地面系留絞盤上。由於系留氣球在使用過程中載荷比較複雜，所以系留拉索和機械拉索的安全係數一般大於2。
系留纜繩是系留氣球的一個關鍵部位。系留氣球的升空、回收和姿態調整都是通過纜繩來實現的。系留纜繩既要有足夠強的力學性能，又要有傳輸球上設備所需的電信號、光信號等功能，同時還要有防雷擊特性。為了增加系留纜繩的安全性，系留纜繩的安全係數應大於3。
地面系留設施設計
地面系留設施的作用是能把系留氣球固定在一定位置，保證系留氣球能夠安全可靠地升空和回收，可分為陣地式和車載式。設計時，既要考慮收放裝置能夠順利地收放系留氣球，又要考慮旋轉平台能夠隨風自由旋轉，同時防止系留塔傾覆。通過有限元分析，保證地面系留設施有足夠的安全裕度，提高地面系留設施的安全性。
防雷系統設計
雷電對系留氣球的破壞是全方位的，結合系留氣球的一般結構及雷電的損害方式，防雷措施可分為球體防護、球載設備防護以及地面設備及人員的保護。對球體的防護措施一般採用靜電防護、導體籠防護和懸索導線防護。對球體設備防護一般採用絕緣材料把電子設備與導電物體隔離或者安全接地，使球體上形成的雷擊電流順利傳到地面，把能量釋放出去。
