系留气球平台锚泊车支臂载荷分析

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《装备维修技术》2021年第7期
系留气球平台锚泊车支臂载荷分析
陈发威 解鹏飞
（航空工业特种飞行器研究所，湖北 荆门448035）
摘 要：为了研究系留气球平台锚泊车载荷，本文分别进行了系留气球平台的动力学仿真分析计算和系留气球平台锚泊车支臂载荷测试试验，通过理论计算结果和试验结果对比分析，理论计算结果对测试结果基本上实现了全覆盖，因此动力学仿真可以作为锚泊车系留支臂载荷计算的推荐方法，对系留气球的设计有一定的指导意义。

关键词：系留气球；系留支臂；动力学；载荷
1 概述
系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力，并用缆索拴系固定的浮空器。

借助于系留缆索、气动升力和剩余浮力，它可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留，尾部的固定翼面可以保持球体具有头部迎风的稳定姿态， 系留气球作为一种多用途的空中平台，通过搭载通讯、光电、中继等各种任务设备，可完成各种特殊使命，具有覆盖面积大、滞空时间长、部署灵活机动和效能费用比高四大特点，应用前景广阔【1-4】。

系留气球在地面锚泊时，系留气球平台锚泊车左右支臂与系留气球左右机械索具连接、头锥与锚泊分系统系留塔上的头锥锁连接
并制动，形成系留气球的“三点锚泊”【5】。

锚泊车支臂载荷可以通过测量与其相连的中部机械索具载荷得到，本文分别从理论和试验两个方面对锚泊车支臂载荷进行计算分析并对结果进行对比。

2 系留支臂载荷理论分析
系留气球在锚泊状态时，通过头锥及气球中部左右两侧的机械索具，与锚泊设备相对应的头锥及系留支臂固定，系留气球与锚泊设备回转平台保持位置上的相对固定，当风作用到球体上时，球体会带动锚泊平台一起顺风向转动，因此本文采用LMS b 软件建立系留气球平台动力学模型，从而计算系留支臂载荷。

2.1 系留气球平台模型
建模过程中模型简化及模型参数如下：
a.回转平台（包含系留塔、支臂等）转化为刚体；
b.头锥与系留塔之间通过弹簧单元连接，弹簧单元的刚度对应为头部气囊的刚度；
c.索具设置为只受拉的弹簧单元；
d.球体、回转平台的重量属性设置为对应的重量重心数据、转动惯量数据；
e.浮力设置为作用在浮心的常态力；
f.气动载荷作用在球体的气动力参考点位置。

图1 系留气球模型示意图
2.2 系留气球仿真结果
本研究主要对30m/s 风速下，迎角-20°~10°两个方面进行仿真分析，通过仿真得到自留支臂载荷如下
：
图2 左右系留支臂载荷曲线
2 系留支臂载荷试验测试
为了方便测试锚泊车系留支臂载荷，需通过测试系留气球平台
中部机械索具的载荷，通过相应的公式转化为系留支臂载荷。

试验通过在中部机械索具上增加拉力传感器来实现中部机械索具载荷的测量。

3 仿真结果与实测结果对比分析
选取风速0~30m/s 下试验测试结果数据与仿真结果作对比，以风速为横坐标，载荷为纵坐标，得到的结果如下所示
：
图3 支臂载荷对比曲线
由图4可以看出，仿真载荷值基本可以包括住实测载荷数据。

4 小结
本文通过仿真计算及试验分别测试得到了系留支臂载荷，并通过对比分析，仿真结果对测试结果基本上实现了全覆盖，因此动力学仿真可以作为锚泊车系留支臂载荷计算的推荐方法，可以为后续系留气球平台的设计提供技术参考。

参考文献：
[1]飞艇技术概论[M]. 国防工业出版社，甘晓华，郭颖编著 2005[2]Dynamic response of a high-altitude tethered balloon system. Aglietti ， G.S. Journal of Aircraft.2009
[3]杨秋萍，席德科. 飞艇技术发展现状与趋势[J]. 航空制造技术，2010（19）： 78-81.
[4]现代浮空器军事应用[J]. 黄宛宁，栗颖思，周书宇，张泰华. 科技导报. 2017（15）
[5]系留气球压差与球体应力变化关系研究[J]. 何泽青，顾逸东，王生，张向强. 计算机仿真. 2009（02）
作者简介：
陈发威（1983-），男，河南新乡人，硕士，工程师，研究方向：飞行器结构强度设计。