谭百贺
0 引言
系留气球通过气球浮力携带任务载荷升至空中，为任务载荷提供了更广阔的视野范围。
常规系留气球的地面锚泊装置固定在地面上，依靠缆绳系留将气球约束在一定的空中范围内。机动式系留气球的地面锚泊装置安装在机动车辆上，可以像常规系留气球一样在固定位置完成气球的升空任务，而当气球及其拉力量级较小、满足车辆的机动安全时，也可以在气球飞行时完成一些地面机动。
国内学者对机动系留气球的设计和应用开展了研究[1-2]，与机动式系留气球类似的高空系留气球的上升过程也由国内外学者进行了仿真分析[3-7]。本文结合升空气球的动力学与热力学模型，增加了系留气球地面锚泊设备的运动，对系留气球的升降与升空后的机动过程开展了比较详细的仿真模拟，并对其飞行过程中的影响因素进行了讨论。
1 系统组成
图1机动式系留气球装置示意图
机动式系留气球系统主要由升空气球、系留缆绳、收放绞盘和机动锚泊车辆等几大部分组成。
升空气球内部填充浮升气体，产生静浮力，搭载各种载荷设备升空；系留缆绳连接地面机动锚泊车与升空气球，承受极大的拉力；收放绞盘用于收放系留缆绳，并在气球上升和下降过程中控制气球升降速度；机动锚泊车停放在地面上，为气球系留、升降、机动等运动提供地面系固点。
2 仿真模型
2.1 动力学模型
系留气球系统的动力学模型主要包括气球和缆绳，考虑高度/水平二维情况，对系统进行分段，各节点统一形式的方程为：
其中：mi为各节点质量，节点1包括气球质量及附加质量，其余为各段缆绳质量；Vx和Vy为分别水平和竖直速度；B为浮力；G为重力；D为气动阻力；F为缆绳拉力；α为缆绳与水平面夹角；系统各节点受力分析如图2所示。
图2气球与缆绳受力分析
2.2 热力学模型
系统热力学模型主要包括气球与气球内部的气体，热力学方程为。
其中：c为物体比热；me和mhe分别为囊体和氦气质量；T为温度；Phe为氦气压差；Vhe为氦气体积；Qdirect为太阳直射辐射热流；Qdiffuse为大气散射辐射热流；Qreflect为地面反射辐射热流；Qup为天空红外辐射热流；Qdown为地面红外辐射热流；Qout为囊体外部对流热流；Qin为囊体内部对流热流；Qe为囊体热辐射热流。系统热交换分析如图3所示。
图3热交换分析
根据公式（1），系留气球在飞行过程中，主要受到浮力、重力、气动力、以及缆绳拉力的作用。其中气球的重浮力、运动与气球的热交换相互影响，由公式（2）、（3）确定；而缆绳的拉力除去缆绳自身的重力、气动力外，主要由缆绳的收放控制以及锚泊车辆的牵引运动决定。
3 飞行仿真
在本文的仿真中，设计系留气球最大体积4 100 m3，系统重量1 600 kg，氦气充气量444 kg；系留缆绳线密度0.08 kg/m；收放绞盘具有5 m/s量级的缆绳收放能力。
图4气球高度/缆绳收放速度-时间曲线
仿真过程中，气球的运动过程主要为：机动式系留气球首先在锚泊车辆处于静止状态时通过缆绳释放完成上升操作；随后保持缆绳长度，锚泊车辆开始水平移动；当锚泊车辆再次静止后，气球通过缆绳收卷完成下降操作。整个运动过程中缆绳的收放操作如图4所示。当缆绳长度保持不变时，由于锚泊车辆的运动，气球在缆绳拉力、气动力等的综合作用下飞行高度明显降低。
图5囊体/氦气超热-高度曲线
气球内部气体及囊体本身的温度变化过程如图5所示。气球在夜晚上升，无太阳直射热流，受红外辐射热流、对流换热及膨胀做功的影响，整体处于超冷状态；下降过程中，气球内部气体压缩做功，气球整体超冷有所缓解。
图6缆绳顶部、底部拉力
系留气球运动过程中，由于收放操作以及锚泊车辆的作用，缆绳拉力发生较大的变化。图6给出了缆绳顶部和底部拉力随时间的变化曲线，其中在锚泊车辆运动时与气球下降过程中缆绳的最大拉力达到了15 kN量级，需要在气球设计阶段充分考虑缆绳的强度。
结合热力学模型与缆绳收放控制，高空气球的升降过程中的水平与竖直速度仿真曲线如图7所示，缆绳在空中的形状如图8所示。
上升过程中气球向上运动、并随风飘移，缆绳对气球的约束力较小，气球的竖直速度主要控制在6～8 m/s，最大水平速度约14 m/s，相对于风速25 m/s的最大风速，气球需要面对约11 m/s的空速；下降过程中，由于缆绳收线拉力的作用，气球的竖直速度主要控制在5 m/s以内，高空水平速度仅有8 m/s，低空水平速度-6 m/s以内，气球面对的空速达到了20 m/s量级，由此也对缆绳及气球的强度提出了更高的要求。
4 结论
高空系留气球在升降过程中，热交换与升降速度等因素相互影响，同时还受到缆绳收放的控制，整体运动比较复杂。本文基于气球动力学与热力学模型，结合典型大气环境和缆绳控制，对气球的上升和下降过程进行了仿真，分析了期间热、风场、缆绳拉力等的作用，并对气球系统中缆绳、绞盘等的设计提出了要求，可为相关装置的研制提供一定的参考。
图7气球水平与竖直速度
图8升降过程缆绳空中形状
