小型系留氣球地面錨泊系統(tǒng)綜述

小型系留氣球地面錨泊系統(tǒng)綜述喻廬榮摘要：地面錨泊系統(tǒng)是影響系留氣球升空和回收的關(guān)鍵要素，直接關(guān)系到系留氣球系統(tǒng)作為空中平臺(tái)的可靠性。本文在介紹錨泊系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)其組成部分及相關(guān)原理進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：系留氣球；錨泊系統(tǒng)；升空回收0 引言系留氣球作為一種新興的空中載荷平臺(tái)，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、使用成本低、能源消耗少、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、易于架設(shè)拆收等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于預(yù)警、偵察、通信、安防等相關(guān)領(lǐng)域。地面錨泊系統(tǒng)作為系留氣球平臺(tái)的重要組成部分，使得氣球在牽引絞盤(pán)，系留纜繩的牽引下實(shí)現(xiàn)升空、下降、空中系泊等所需的狀態(tài)，從而滿足任務(wù)系統(tǒng)在空中工作的需要。1 地面錨泊系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)原則地面錨泊系統(tǒng)的主要功能是將系留氣球升至高空進(jìn)行穩(wěn)定的工作，以及不工作時(shí)的回收系留，或者根據(jù)任務(wù)需要長(zhǎng)期停留在某一高度進(jìn)行滯空。錨泊系統(tǒng)通過(guò)系留纜繩對(duì)系留氣球?qū)崿F(xiàn)空中定點(diǎn)系泊，保證其在空中工作的穩(wěn)定性；另外，通過(guò)若干拉索對(duì)氣球?qū)嵤┑孛嫦盗粝倒?，方便技術(shù)人員對(duì)球體及球上設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或修理。在設(shè)計(jì)系留氣球地面錨泊系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮以下幾點(diǎn)：第一，三點(diǎn)系留。系留氣球通過(guò)球體頭部的系留點(diǎn)和中部左右兩處系留點(diǎn)對(duì)氣球進(jìn)行地面系留，因此地面錨泊系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置三部絞盤(pán)。系留時(shí)，將頭部絞盤(pán)拉索、左右絞盤(pán)拉索分別接入頭部機(jī)械絞盤(pán)和錨泊車(chē)兩側(cè)（側(cè)臂）的左右機(jī)械絞盤(pán)，并由三臺(tái)絞盤(pán)共同牽引球體到達(dá)地面系留位置；氣球解系過(guò)程中，由三臺(tái)機(jī)械絞盤(pán)同時(shí)控制系留氣球，直至主纜繩受力，絞盤(pán)拉索完全放出，對(duì)其實(shí)現(xiàn)脫系。三點(diǎn)系留的設(shè)計(jì)可以有效克服常規(guī)浮空器工作時(shí)需要大量地面人員的間題，一定程度上降低了系留氣球的使用成本。第二，纜繩系泊。系留氣球在收、放過(guò)程及滯空狀態(tài)下，系留纜繩起拴系及牽引系留氣球的作用，保證氣球平臺(tái)搭載任務(wù)載荷能夠升至一定高度進(jìn)行穩(wěn)定工作；同時(shí)，系留纜繩也能起到電能傳輸、數(shù)據(jù)通訊、雷電泄放等功能。因此，地面錨泊系統(tǒng)應(yīng)配備纜繩收放裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)纜繩的牽引控制。第三，快速收放?？紤]到系留氣球系統(tǒng)對(duì)惡劣氣象環(huán)境的快速響應(yīng)需要，地面錨泊設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)若干速度檔位，以滿足不同收放速度的要求，使得系留氣球能夠在惡劣天氣來(lái)臨之前快速回收至地面系留，保障裝備的整體安全。2 地面錨泊系統(tǒng)的組成及說(shuō)明系留氣球地面錨泊系統(tǒng)的作用是確保系留氣球能夠進(jìn)行可靠的升空和回收，并在指定的高度上正常工作以及地面的安全系留。地面錨泊系統(tǒng)主要由配電系統(tǒng)、纜繩收放裝置、絞盤(pán)系留裝置、電氣控制系統(tǒng)、操控臺(tái)幾大部分組成，通過(guò)對(duì)主纜繩的收放完成系留氣球的上升、下降以及滯空工作，通過(guò)對(duì)機(jī)械絞盤(pán)的操作，實(shí)現(xiàn)系留拉索的放線或收線，從而完成系留氣球的解系和系留。2.1 配電系統(tǒng)配電系統(tǒng)主要由若干斷路器、熔斷器、保護(hù)開(kāi)關(guān)以及電源檢測(cè)裝置構(gòu)成，其主要功能是將輸入的380V/50Hz三相五線交流電進(jìn)行安全合理的分配，為后端機(jī)電動(dòng)力設(shè)備和以220V/50Hz工作的空調(diào)、照明設(shè)施、控制系統(tǒng)等提供電力支持，并在輸人出現(xiàn)過(guò)欠壓或相序錯(cuò)誤時(shí)能自動(dòng)切斷輸入。2.2 纜繩收放裝置系留氣球纜繩收放裝置安裝于錨泊車(chē)的設(shè)備艙內(nèi)，通過(guò)對(duì)系留纜繩的收放實(shí)現(xiàn)球體的放飛、回收和空中系泊。纜繩收放裝置主要由牽引裝置，收排線裝置兩部分組成。2.2.1 牽引裝置牽引裝置是收放系統(tǒng)的主驅(qū)動(dòng)裝置，提供收放纜繩所需要的牽引力和制動(dòng)力，并且可以按照相應(yīng)的收放速度指令進(jìn)行纜繩的收線或放線。牽引電機(jī)選用變頻調(diào)速三相異步電機(jī)，配合變頻器控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速功能，且在250Hz范圍內(nèi)調(diào)速時(shí)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，即球體放飛和回收過(guò)程可實(shí)現(xiàn)不同速度下的恒轉(zhuǎn)矩收放。牽引電機(jī)為牽引裝置的動(dòng)力源，并通過(guò)減速器將牽引電機(jī)的高轉(zhuǎn)速小扭矩變換成低轉(zhuǎn)速大扭矩驅(qū)動(dòng)牽引齒輪，牽引輪依靠摩擦傳力收放纜繩來(lái)完成球體的上升和下降，同時(shí)液壓制動(dòng)器保證了氣球在滯空期間的可靠制動(dòng)。牽引輪共有兩個(gè)，兩輪都采用帶有一定數(shù)量的半圓環(huán)槽的不銹鋼輪，系留纜繩嵌在牽引輪的輪槽內(nèi)，使其具有釋放從氣球側(cè)進(jìn)入的系留纜繩張力的功能。牽引輪各級(jí)輪槽通過(guò)靜摩擦力將纜繩入口端的巨大載荷衰減為較小載荷，確保進(jìn)入到收排線處的纜繩張力減小到某一設(shè)定值的范圍，以利于收卷和排線裝置將纜繩纏繞在儲(chǔ)纜卷筒上，起到保護(hù)纜繩的作用。2.2.2 收排線裝置收排線裝置主要承擔(dān)系留纜繩的存儲(chǔ)及收放線過(guò)程中的排纜功能，保證從牽引裝置引入的纜繩能整齊地排列收納在儲(chǔ)纜盤(pán)上，并提供足夠的纜繩尾張力，使其與主牽引裝置以相同的線速度運(yùn)行。纜繩收卷或放卷時(shí)，儲(chǔ)纜卷筒盤(pán)徑會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)要保證纜繩收放的線速度和張力恒定，這就要求收卷電機(jī)具有恒功率特性。收卷力矩電機(jī)的力矩控制采用直接力矩控制方式，通過(guò)設(shè)定控制電壓來(lái)確定力矩的大小，后經(jīng)過(guò)減速器帶動(dòng)儲(chǔ)纜盤(pán)跟隨牽引裝置收放纜繩同步運(yùn)動(dòng)。排線裝置包含變頻電機(jī)、減速機(jī)、絲桿、導(dǎo)向桿以及支撐底座等構(gòu)成，它能夠?qū)⒉煌€徑的纜繩整齊均勻地排列在儲(chǔ)纜盤(pán)的表面。整套排線機(jī)構(gòu)采用變頻電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)排線輪沿導(dǎo)向桿做直線運(yùn)動(dòng)，保證儲(chǔ)纜卷筒旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，能夠帶動(dòng)排線輪沿纜繩卷筒軸向移動(dòng)一個(gè)纜繩直徑的長(zhǎng)度。在支架兩端安裝有換向開(kāi)關(guān)，當(dāng)排線輪觸碰到換向開(kāi)關(guān)時(shí)，排線電機(jī)逆向旋轉(zhuǎn)，排線輪便反向運(yùn)動(dòng)，最終使得纜繩能夠整齊均勻地排列在儲(chǔ)纜盤(pán)上。2.3 絞盤(pán)系留裝置絞盤(pán)系留裝置主要由三臺(tái)機(jī)械絞盤(pán)組成，絞盤(pán)的結(jié)構(gòu)、指標(biāo)均相同，包括絞盤(pán)電機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒、排線器及支撐底座。三臺(tái)絞盤(pán)分別布置于系留塔和錨泊車(chē)的左右兩側(cè)支臂，用以牽引頭錐機(jī)械索具和左右機(jī)械索具，主要作用是在放纜初期和收纜后期輔助系留氣球的放飛、回收及地面系留。其中絞盤(pán)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)卷筒來(lái)纏繞或釋放機(jī)械拉索，同時(shí)卷筒通過(guò)鏈輪鏈條帶動(dòng)排線器排線。排線器的絲桿為雙線絲桿，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)換向；機(jī)械絞盤(pán)電機(jī)采用交流變頻調(diào)速，具有高速和低速兩種運(yùn)行速度，方便不同場(chǎng)合操作的需要，并且電機(jī)帶有剎車(chē)裝置，可提供足夠的制動(dòng)力，保證氣球的地面系留。2.4 電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)接收來(lái)自操控臺(tái)的控制信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的電路完成纜繩收放裝置、絞盤(pán)系留裝置中各電氣設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)主纜繩、絞盤(pán)拉索的收線或放線，并同時(shí)完成相關(guān)反饋數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的采集。電氣控制系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速、數(shù)據(jù)采集模塊、故障報(bào)警模塊、通信模塊組成。2.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速采用變頻器控制方式，控制回路主要由繼電器、接觸器、變頻器、制動(dòng)電阻等電氣元件構(gòu)成。操控臺(tái)內(nèi)部PLC（可編程邏輯控制模塊）在接收面板開(kāi)關(guān)的操作指令輸入后，處理器按照預(yù)先設(shè)置的程序，使得PLC數(shù)字量模塊輸出電壓信號(hào)觸發(fā)繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，給出變頻器相應(yīng)的運(yùn)行信號(hào)，同時(shí)PLC模擬量模塊輸出010V調(diào)速信號(hào)對(duì)應(yīng)變頻器相應(yīng)的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速功能；停機(jī)操作時(shí)，運(yùn)行信號(hào)復(fù)位，調(diào)速信號(hào)輸出0V，切斷變頻器輸出，電機(jī)停止工作。2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬量的采集，開(kāi)關(guān)量的采集及從變頻器中讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源主要由編碼器、拉力傳感器、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等組成，分別采集纜繩張力、纜繩放出長(zhǎng)度、儲(chǔ)纜卷筒轉(zhuǎn)速以及各電機(jī)變頻器的運(yùn)行反饋、排線機(jī)構(gòu)的換向等信號(hào)。其中放纜長(zhǎng)度由主牽引齒輪上的接近開(kāi)關(guān)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)換算得出；纜繩張力由牽引裝置前端人口處的拉力傳感器采集并換算；儲(chǔ)纜卷筒轉(zhuǎn)速由儲(chǔ)纜盤(pán)聯(lián)動(dòng)軸處的編碼器測(cè)出；排線機(jī)構(gòu)的換向信號(hào)由導(dǎo)桿兩側(cè)的限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)并送至操控臺(tái)進(jìn)行判斷。2.4.3 故障報(bào)警模塊通過(guò)對(duì)收放系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警模塊將故障報(bào)警信號(hào)傳送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。報(bào)警信息類型主要包括主牽引變頻器故障、主牽引制動(dòng)器故障、力矩電機(jī)制動(dòng)器故障、排線變頻器故障、左中右絞盤(pán)變頻器故障等。2.4.4 通信模塊采用RS485總線將操控臺(tái)內(nèi)部的上位機(jī)、PLC和電氣控制系統(tǒng)中的變頻器、各傳感器連接起來(lái)。通過(guò)編寫(xiě)可視化好、操作方便的上位機(jī)監(jiān)控軟件提高整個(gè)收放系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，既完成對(duì)收放設(shè)備的控制，也起到實(shí)時(shí)顯示反饋數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的功能。2.5 操控臺(tái)2.5.1 硬件操控臺(tái)用來(lái)完成對(duì)纜繩收放裝置、絞盤(pán)系留裝置等設(shè)備的控制。操控臺(tái)臺(tái)面安裝有筆記本計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，內(nèi)部裝有氣球監(jiān)控軟件；臺(tái)面布置相應(yīng)的操作按鈕和指示燈，其內(nèi)部包含了可編程邏輯控制器（PLC）模塊、繼電器、保護(hù)開(kāi)關(guān)等器件。2.5.2 軟件操控臺(tái)選用PLC（可編程邏輯控制器）作為控制核心，PLC擴(kuò)展了數(shù)字量模塊和模擬量模塊，用來(lái)增加相應(yīng)的數(shù)字量I/O接口和模擬量I/O接口；PLC采用梯形圖語(yǔ)言編程，在STEP7 MICRO-WIN4.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)程序和調(diào)試；PLC程序分為主程序、初始化子程序、纜繩收放子程序、機(jī)械絞盤(pán)控制子程序等。3 結(jié)束語(yǔ)本文在分析系留氣球地面錨泊系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了電控系統(tǒng)的控制方式及有關(guān)原理。作為系留氣球平臺(tái)的重要組成部分，錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須依據(jù)系留氣球系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)兼顧系留氣球的使用模式和相關(guān)技術(shù)，從而提高整套裝備外場(chǎng)應(yīng)用的可靠性和使用效率。參考文獻(xiàn)：1曹潔.國(guó)外系留氣球的發(fā)展與應(yīng)用J.科技資訊，2010， （25）.2程世軍.一種用于視頻監(jiān)視的系留氣球系統(tǒng)J.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，（32）.3顏標(biāo).系留氣球地面系留裝置運(yùn)動(dòng)分析J.電子機(jī)械工程，2007，（03）.4盧新來(lái).系留氣球的升空模擬J.航空學(xué)報(bào)，2006， （05）.