系留气球雷电直接效应防护设计

系留气 球 雷 电直 接 效应 防护设 计
倪青松 ， 荣海春 ， 王少 峰
（ 中国电子科技集 团公司 第三十八研究所 ， 安徽 合肥 ２ ３ Ｏ ０ ８ ８ ）
摘
要： 系留气球携 带大量 电气、 电子设备 ， 升 空执 行探测 、 通信等任 务， 其体 积比较 大， 空 中工作 时停 泊 高度 高， 容
系留气球工作高度介于几百米到几千米之间，
而一 般 云底 高 度 为 １ ～３ ｋ ｍ， 最低可达 １ ５ ０主要 通过布设 在球 体上 面的防雷 网来完成 。防雷 网是 由一定数 量 的避
可达几十千米， 它 主要负电荷中心 的平均高度约为 ３ ｋ ｎ。因此系留气球工作高度位于云层 中可能性较 ｉ 大， 又由于系留气球体积较大、 工作高度较高 ， 容易
时， 在附近导体上产生的静电感应和电磁感应 ， 它可
能使金属 部件之 间产 生 火花 ） 、 雷 电波 侵入 波 （ 雷 电 波沿着金 属 线 路 或 金 属 管道 侵 人 系 留气 球 系统 设 备） 几种 途径 ｌ Ｌ ３ Ｊ 。 针 对雷 电侵人 的 几种 途径 ， 系 留气 球 系统 雷 电 防护需要 进行雷 电直接 效应 防护和雷 电间接 效应 防
受到雷 电 影 响 ， 所 以系 留气 球 需 要 进 行 雷 电 防护
设计 。
雷索通过彼此相连组成的一种网状结构。避雷索悬 挂于防雷杆上 ， 避雷索合理布设构成的防雷网对球 体及球上设备形成有效保护 ， 图１ 为美 国 Ｔ ｃ ｏ ｍ公 司移动式系留气球避雷索布置图。
２ 系留气球 雷电防护设计
结 果较 为接近 。
，
图１ 美 国 Ｔｃ ｏ ｍ 公 司 系 留气 球避 雷 索 布置 图
Ｒ 一 ２ ＋３ Ｏ ［ １ 一
］ （ Ｅ ． Ｒ ． Ｗｈ ｉ ｔ ｅ ｈ ｅ ａ ｄ ）
面 因素考 虑 。
２ ． ２ ． １ 避 雷 索保 护 范 围
Ｒ ＝ ＝ ：９ ． ４ 。 （ Ｊ ． Ｇ． Ａｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ）
２ ０ ０ ０ ｍ和 １ ０ ０ ０ ｍ 以下 ｚ ｌ 。
护。根据使用经验， 系留气球工作过程 中如遭受直
击雷 ， 系统 可 能产 生严 重的损毁甚 至灾难 性后果 ， 因 此 对 系留气球雷 电直接 效应 防护设 计尤 为重要 。
２ ． ２ 系 留气球 雷 电直接效应 防护设计
ｌ 系留气球 工作环境
２ ． １ 雷 电损害 系留气球 的途径
避雷索布置和防雷杆的高度是决定防雷网保护 范围关键因素 ， 避雷索截面积是影响雷 电流通流量
大小的重要因素 。因此雷电直接效应防护设计重点 从避雷索保护范围、 防雷杆高度 、 避雷索截面积几方
雷电对系留气球系统损害途径有直击雷（ 闪电
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ９ － ０ ２
易遭 受雷电直接 伤害。通过对避 雷索保护 范围、 防雷杆高度 以及避 雷索截 面积 等重要 参数的分析计算 ， 为 系留气球
雷电直接效应防护设计提供 关键性依据。保证 系统安全 可靠地长 时间留空工作 ， 对 系统进行 了完善的直 击雷防护
设计 。
关键词 ： 系留气球 ； 避 雷索； 雷电直接效应 中图分类号 ： Ｆ ２ ０ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ８ — ９ ２ ３ ３ （ ２ Ｏ １ ３ ） Ｏ １ 一 Ｏ ０ Ｏ ６ 一 Ｏ ３
作者简介 ： 倪青松（ １ ９ ７ ３ 一） ， 男， 安徽芜湖 人 ， 工程师 ， 硕士研究生 ， 从事系 留气球 的电讯及雷电防护设计研究。
第１ 期
倪 青松 ， 等： 系留气球雷 电直接 效应 防护设计
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括与大地接触能承受雷击的金属物） 而不触及需要 保护的部位时， 则该部分就得到接闪器 的保护。一 般认为 ， 当雷云发展到离被击物几百米时 ， 地面上的 高耸物才可能会对放电通道 的形成产生影响。电气 几何模型认 为击距 Ｒ ｓ ｃ与雷电流 Ｉ ｏ ｃ 存在对应 关 系， 不同的研究者采用的击距计算公式不同， 但计算
系留气球属于浮空器的一种 ， 利用升力气体产
生 的浮力 克服其 自身及 任务 系统 的重 量 ， 并 获 取一 定 的剩 余 浮力 ， 为任 务 负 载提 供 工作 平 台。具 有滞
直接击在 建筑 物 、 其它物体、 大 地 或 防雷 装 置上 ， 产 生 电效应 、 热效 应 和机 械 力者 。 ） 、 感应雷（ 闪 电放 电
空时间长 、 效费比高等诸多优点 ， 特别适合用作军方
使用 的长期 滞空平 台 ， 可 以通过 装 载 各 种 电子 设备 实现 不 同的军 事用 途 ， 具 有 广 阔 的应 用前 景［ １ ］ 。系 留气球 根据 气球 尺 寸 、 体积 大 小 一般 分 为 大 、 中、 小 三种 类 型 ， 工作 高 度分 别在 ３ ０ ０ ０ ｍ 左 右、 １ ０ ０ ０ ～
第３ １ 卷第 １ 期
２ ０ １ ３年 １月
西安航空技术高等专科学校学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｘ ｉ ’ ａ ｎ Ａｅ ｒ ｏ ｔ ｅ ｅ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
Ｖ０ １ ．３ｌ Ｎｏ．１
Ｊ ａ ｎ ．２ ｏ １ ３
根据 Ｊ ． Ｇ ． Ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ的公式 ， 当雷 电流分别 为
３ 、 ２ ０ 、 １ ０ ０ 、 ２ ０ ０ ｋ Ａ 时， 对 应 的击 距 Ｒ ｓ ｃ分 别 为
１ ９ ．６ ｍ、 ７ ０ ｍ、 ２ ０ ３ ｍ、 ３ ２ ２ ｍＥ
。
避雷索保护范围是按照单点的保护角度和高度 来进行分析计算。单点（ Ｐ ） 传导所形成的雷 电保护 区是以 Ｐ为顶点 ， 顶角为 １ ２ ０度的圆锥体。避雷索 （ Ｉ ） 传导所形成的雷 电防护 区可以看成是 圆锥顶点