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系留氣球是使用系纜與地面錨泊設施連接，依靠球體內氦氣產生的浮力懸停在空中，并可控制在大氣中飄浮高度的氣球。作為一種浮空平臺，系留氣球具有滯空時間長（連續滯空時間從幾天至一個月），耐候性強，部署簡單靈活，效費比高等特點；可為球載設備提供較大的對地視界范圍，滯空高度越高，覆蓋范圍越大；可用于大氣環境監測、預警、電子對抗、技術監察與監視、超長波通信以及信息中繼等民用和軍用領域[1]。

系留氣球有多種分類方法，按球體結構可以分為常規系留球和非常規系留球；按體積大小可以分為微型、小型、中型、大型、特大型和超大型系留球，其分類如下表所示，除微型和小型系留氣球會存在非常規型，其他均為常規系留氣球；按應用領域可以分為軍用和民用，軍用又可以分為ISR、通信中繼和安全預警型等。

表1不同體積系留氣球分類及其性能表

大型、特大型和超大型系留氣球升空高度大、帶載量大、滯空時間長，經常用于戰略部署，得到各國軍方重視，典型的應用系統有美國的JLENS系統和俄羅斯的PUMA系統[2]，但大型系留氣球系統構成復雜、造價昂貴，對錨泊設施和發放場地的要求較高，進而限制了大規模應用。中型常規系留氣球相對小型系留氣球滯空時間長、可靠性高、帶載量大又可靈活布置載荷，相對于大型系留氣球機動性強、容易部署、成本低，因此無論在軍事活動還是在民用中都得到廣泛應用，典型的應用系統有美國RAID系統、PGSS系統和PTDS系統[3]等。近年來，隨著任務載荷的小型化以及對機動性要求的提高，微、小型以其輕巧緊湊的結構和快速部署能力迎合了應用需求，因而得以廣泛應用于反恐沖突中單兵偵察、戰術部署和快速應急通信等任務。

隨著現代電子技術、高分子纖維囊體材料、球體設計、風洞試驗、系纜、壓力控制等技術的進步以及應用需求的增加，系留氣球的發展經歷了一個由小到大、由簡單到復雜的發展歷程。目前，隨著載荷集成化程度的進一步提高，以及應用任務向著綜合化和單一化兩個方向的發展，系留氣球的發展趨勢也出現了兩級分化——超大型的戰略系統和微/小型戰術系統。

本文重點介紹國外幾款已成功應用的微/小型系留氣球系統，按球體構型可分為兩類：常規系留球-采用常規流線型球體和非常規系留球-采用扁圓形球體。 

2.1.1TCOM12MTM戰術系留氣球

TCOM12MTM系留氣球是美國TCOM公司研制的戰術系留氣球,可以在中等高度為載荷提供穩定平臺，它延續了TCOM15M、TCOM17M的簡約設計理念：結構緊湊，高度便攜，非常適用于快速、戰術部署和地面觀測應用。其典型應用是應急響應小組（EmergencyResponse Team）用于安全保衛和通信任務。它也可以用于海軍部署，既可以沿海岸線布置，也可以直接部署在船基平臺上。

TCOM12MTM非常適合攜帶各種輕型載荷。它適用于在40節（20.6m/s）穩定風速下操作，也可以在50節（25.7m/s）風速下錨泊，可在20節（10.3m/s）風速下發放和回收。TCOM12MTM長度為12m（TCOM產品均以長度命名），體積為6000ft3（184.0m3），初始充氦氣體積約為45000ft3（1274.2m3）。TCOM12MTM在20℃下可以攜帶60lb（27.2kg）載荷到1000ft（304.8m）高度，最大滯空時間為5天。TCOM12MTM系統總重為3800lb（1723.6kg），可整合為大小7×7×7ft3（2.1×2.1×2.1m3）的模塊，用標準軍用卡車即可運輸。TCOM12MTM發放只需要直徑80ft（24.4m）的發放場地。發放回收操作只需3個人，并可在2小時內進行部署。

TCOM12MTM的航空電子設備包括一個輕量動力壓力遠程自動快速展開裝置（Power-Pressure-Telemetry-Automatic  Rapid Deflation  Device，簡稱PPTARDD）、天氣傳感器和球載線纜。系統數據通過系纜中的光纖由球載傳感器傳到地面計算機中。遠程系統為操作者提供至關重要的飛行和性能參數、天氣數據（包括溫度、氣壓、風速風向、GPS位置等）。地面遠程計算機提供載荷和系留氣球系統參數的監測。所有的系留氣球裝備均安裝在主氣囊腹部。其載荷是寬視場運動圖像監測和目標追蹤系統，安裝在系纜之上，如圖2所示。[7]

圖1錨泊狀態下的TCOM12MTM

圖2TCOM12MTM的載荷安裝形式

2.1.2REAP系留氣球系統

REAP(RapidlyElevatedAerostat Platform，快速部署系留氣球平臺)由LockheedMartin公司和ILS-BOSCH公司聯合研制，是一種提供緊湊型、高度便攜、快速部署與回收的ISR系統[8]。系統包括：載有光電系統的系留氣球，ILSMK1晝間和夜間攝像機，Raytheon公司研制的IR紅外裝置（從100m高度對目標的探測距離估為35km，當漂浮在300ft（91.4m）高度時，REAP上的傳感器能覆蓋18mile（29km）的地面區域，以及安裝在“悍馬”汽車上的地面設備。

REAP系統的設計適合各種任務，可以通過調整主氣囊體積和系纜長度來調節升空高度。其載荷數據通過無線轉換器傳送到地面控制中心。REAP的綜合基礎安裝界面裝備允許安裝到任何卡車或中等尺寸車輛（包括錨泊系統）之上。

圖3REAP系留氣球運輸及部署照片

REAP系統的結構如下圖所示，長度為39ft（11.9m），體積為5000ft3（141.6m3），可快速移動到指定區域部署，只需2名操作員即可在15min內自動展開、3名操作員在10min內回收。REAP最大可提升120lb（54.4kg）載荷至1000ft（304.8m）高度，其最長滯空時間為6天。

圖4錨泊狀態下的REAP系統

REAP系統主要部署在阿富汗喀布爾、坎大哈和其他任何美軍集結或感興趣地區，它能夠在5min內快速展開。其戰術單元可以在白天、夜晚甚至微光情況下（比如霧、霾、煙等）提供ISR、火力保護、發現和識別目標。

圖5阿富汗天空中的REAP監視氣球

2.1.3其他微/小型系留氣球系統

除TCOM12MTM和REAP之外，還有許多其他公司的微/小型常規系留氣球，比如RIVEN公司的TIF系列[9]、世界觀測組公司的 “盒子飛艇”（BiB）等。

表2RIVEN公司微/小型系留氣球參數表

圖6TIF-6500

2.1.4小結

綜合來看，此類系留氣球系統一般用于需要快速部署——軍事上的對地觀測或者民用上的通信任務。其長度一般小于15m，體積小于200m3；最大滯空時間為3-10天不等；最大升空高度除RavenTIF-6500可升至900m以外，其他最大升空高度為300m；一般需要1-3人操作；最大可攜帶載荷50kg。

2.2非常規型系留氣球

2.2.1RT公司系留氣球系列

Skystar系列系留氣球由以色列RT技術公司研制，包括Skystar100、Skystar180、Skystar220、Skystar250、Skystar300，以及最新款Skystar330。

Skystar系列系留氣球是一種單兵系留氣球系統，僅依靠兩人即可實施操作的低空浮空平臺系統，系統主要包括球體、系纜（含供電、數傳）、絞盤、氣瓶、載荷及其控制接收裝置組成。

Skystar100全系統可打包至一個或兩個背包中，由單兵背負。氣球直徑2.8m體積約12m3，系統總重8kg，載荷重量2.5kg，升空高度100m，探測范圍1km，目標辨識范圍500m，可以拍攝高清的圖片和視頻。[10]

圖7以色列單兵系留氣球Skystar 100系統

在2014年7月和8月加沙邊境的沖突中，以色列沿邊境部署了13套Skystar300系留氣球系統，如圖8所示。該球直徑7.7m，體積100m3，部署時間僅需要20min。該系統可以在350m高度搭載50kg的載荷，其連續工作時間長達72h，抗風能力達到20m/s。目前，RT氣球系統已被以色列、阿富汗、墨西哥、泰國、加拿大、非洲以及俄羅斯使用。[11]

圖8Skystar300 系留氣球系統

2.2.2AllsoppHelikites公司系留氣球系列

AllsoppHelikites公司開發了一系列系留氣球產品，包括Skyhook系列、Skyshot系列、DesertStar系列、Rescue系列，各系列系留球尺寸各不相同，應用范圍也各種各樣。本節以DesertStar 系列為例，介紹其產品特征。[12]

圖9AllsoppHelikites公司系列系留氣球產品

DesertStar針對惡劣和風沙天氣情況而采取了特殊設計，球體分為內外兩側，內層采用聚氨酯材料，內充氦氣以提供浮力和保持球體外形，外層保護膜采用為高比強材料，能使球體免于腐蝕和打擊。DesertStar最大飛行高度為幾千英尺，可以在惡劣環境中布置和操作，這一點特性比所有其他任何尺寸系留氣球都優秀。此系留氣球沒有易損壞的電子元器件，沒有易破的副氣囊，身形小巧——遠小于其他類型系留氣球，駐空高度較高——大于一般火力范圍，即使DesertStar受到子彈攻擊，也不會很快失去氦氣，仍能夠維持駐空高度很長時間，方便時即可將它收回進行補救，即使不可補救，其內部氣囊也可以在幾分鐘之內完全換掉，因此其生存性能極好，世界范圍的使用也肯定了其強度和優秀的天氣適用能力。DesertStar系列參數特征見表3。

表3  Desert Star參數特征表

自從2005年制作第一只DesertStar以來，已有很多該系列產品投入使用，目前無一損壞。所有這些用于英軍和美軍在阿富汗戰場的系留氣球依然在服役，用于其他行動中的系留氣球也是一樣。

2.2.3其他非常規微/小型系留氣球

與RT技術公司的Skystar系列和AllsoppHelikites公司的系留氣球類似，還有SkySentry公司的TEA-45，CarolinaUnmanned Vehicles 的STMPAS[13]，以及Drone  Aviation Holding公司的戰術系留氣球等此類非常規構型系留氣球系統。

圖10 Drone  Aviation  Holding公司的戰術系留氣球

2.2.3小結

非常規微/小型系留氣球的球體一般為扁球體，內部無副氣囊，靠“風兜”或帶龍骨的“尾翼”穩定球體，一些產品還可調節球體壓力或提供附加升力。非常規構型系留氣球的體積一般小于100m3，相比常規流線構型的系留氣球，體積/面積比較高，在承受同樣載荷能力的前提下，更加輕巧緊湊、容易部署，一般只需1-2人操作即可，最大升空高度一般小于300m。

3微/小型系留球的結構

通過上述微/小型系留氣球案例可以看出，常規系留氣球與非常規系留氣球的結構有著非常大的區別。以下將詳細介紹兩種系留氣球的結構。

3.1常規系留氣球結構

常規系留球結構的顯著特點是其球體為流線型球體，一般由球體、測控、供電、系纜、錨泊設施以及應用載荷等組成。

以TCOM12MTM為例，如圖11所示，其球體為流線型，長細比一般由風洞試驗和飛行試驗確定，具有良好的氣動穩定性。球體結構包括主氣囊（圖中1所示位置）、副氣囊（在主氣囊內部，未標注）和尾翼（圖中2所示位置），主氣囊內充氦氣以提供浮力；副氣囊內充空氣，副氣囊設有排氣和充氣裝置，以在球體升降過程中通過充入/排出空氣保持球體壓力（也有些系留氣球球體不設置副氣囊，而通過氣囊材料的超壓能力承受升降過程中球體的壓力變化）。尾翼的作用一是使球體保持迎風，二是使球體具有一定的氣動穩定性，一般為倒“Y”型，可以是充氣或張拉膜結構。系纜（圖中4所示）包括多個側系纜和一個主系纜，側系纜分成多股，將力分散在球體側面；主系纜連接在球體的主節點上，從而保證在載荷重量改變時不會影響系留氣球仰角。多個側線纜也可以為載荷提供安裝空間（也有些系留氣球的載荷固定在球體腹部）；主系纜為復合纜，集成了承力纜（一般為復合材料織物如芳綸）、供電纜（一般為高壓）和通信纜（可以是電纜或光纜），不僅提供拉力約束球體，還可以為艇上設備提供能源和傳輸載荷數據。測控、配電設備以及載荷（圖中3所示位置）一般安裝在球體腹部或系纜之上。錨泊設施（包括氦氣儲存裝置）需特殊設計，包含自動快速展開裝置，可以由小型卡車改裝而成，以便快速機動。

圖11TCOM12MTM系留氣球

3.2非常規系留氣球結構

非常規系留球結構一般也由球體、測控、供電、系纜、錨泊設施以及應用載荷等組成。與常規系留氣球的流線型球體不同的是，非常規系留球的球體為扁球形，這種形狀受溫度、壓力和海拔影響最小，同時，扁球體在一定攻角下也可以產生氣動升力，進而提高球體負載能力；球體結構可以是單層結構——如Skystar或雙層結構——如DesertStar，一般無副氣囊（也有些因駐空高度較高設置副氣囊，如Skystar330）；“尾翼”可以是半硬式或軟式結構，如美國AllsoppHelikitesLtd 的DesertStar Helikites采用了半硬式結構，以色列RT公司的Skystar系列則為軟式結構。以下將分別介紹兩種結構形式。

采用半硬式結構的DesertStar Helikites結構如圖2所示，其中，1為球體，2為張拉膜“尾翼”，其作用一是提供額外的氣動升力，二是作為風標使球體保持迎風方向，使球體具有一定的穩定性。3、5、6、7為張拉膜“尾翼”的龍骨，它們的存在使該系留氣球構型成為半硬式球體結構，其中5是主龍骨，3、6、7為加強結構，也可以為載荷提供安裝平臺。龍骨可以在圖中19龍骨出口處抽出，以方便運輸。4為長度可變的拉繩，通過該拉繩約束球體體積可以改變球體壓力，這種特殊結構可以不改變球體結構而使球體體積變化，因此不需要復雜的副氣囊，這樣可以適應不同海拔、不同溫度的天氣，也可以保證艇囊保持壓力。圖中9為操作繩，可單人操作，11、12為載荷艙，20、21、22、23均為載荷安裝位置，18為天線安裝位置，8為前安裝點，10為中安裝點，13、14為拉袢，15為氦氣充氣閥門。

圖12Desert Star Helikites——半硬式系留氣球結構

軟式非常規系留球結構與半硬式相比沒有硬式龍骨，“尾翼”結構以軟式風兜代替。Skystar系列系留氣球即采用了軟式結構，如圖3所示，其中1為扁球體。2為風兜，作為“尾翼”為球體提供穩定性。3為操作繩，在系留氣球發放和回收時由操作員控制球體穩定。4為載荷，5為氦氣充氣閥門，6為拉繩，可以通過其伸縮調整球體體積進而調整球體內部壓力。

圖13  Skystar300結構

3.3兩種結構對比

上述幾種系留氣球結構雖然其外形各異，但是各部分作用卻極其相似。下表對比其相似點與區別。

表4不同結構系留氣球結構對比

由表格可以看出，不同系留氣球均包含了提供升力的球體，起穩定作用的“尾翼”；可以通過球體內部的副氣囊或球體外部拉繩結構調整球體壓力；主系纜集成了光、電線纜以為載荷供電和傳輸數據；結構附件均包括操作繩、充氣閥門等結構。

微/小型系留氣球與其他浮空器相比，其優勢在于系統緊湊性、快速部署能力、機動性和成本低等，這些特性與它的關鍵技術息息相關。首先其系統緊湊性取決于系留氣球平臺的總體設計優化技術，這一技術同樣決定了其機動性和成本控制，另外系留氣球平臺的快速部署能力取決于其錨泊和發放設施的性能。

4.1總體設計優化技術

微/小型系留氣球平臺的總體設計優化技術需要綜合考慮系統的浮力和自重、環境承受力、成本等多種因素。

系留氣球平臺使用的前提是有足夠的浮力使其維持在要求的駐空高度，此時優秀的系統應該有以下特性：較強的環境承受力，從而可以適應不同惡劣環境（如大風、風沙、高溫、低溫、酸雨等），這需要球體材料具有較高的強度，且有防老化、抗腐蝕等附加性能，也需要系纜強度足夠好；較小的自重，從而允許攜帶更重的載荷，這需要球體的材料和系纜有較高的比強度；成本低，其前提是滿足前述特性的同時降低系統成本，這需要對系統進行分析和計算，選取合適的強度裕度，并盡可能采用成熟產品和技術，以降低成本。綜合來看，要滿足這些特性都需要開展系留氣球平臺的總體優化設計。

4.2 錨泊和發放設施設計

錨泊和發放設施的設計對整個系統至關重要，它不僅能使整個系統正常運行，還決定著系統的部署速度和機動性。錨泊和發放設施應該具備以下特性：自動充氣和自動發放能力，這不僅可以簡化操作、減少操作人員（1-3人），還可以減少操作時間（一般要求30min以內）；模塊化，這一特性可以使整個設施方便安裝使用，方便運輸，增加其機動性，一般整系統可以用標準卡車運輸。

國外已經成功應用的錨泊和發放設施包括TCOM12MTM的輕量動力壓力遠程自動快速展開裝置(PPTARDD)，REAP的基本單元（BasicUnit）；SkySentry公司的戰術應急系留氣球平臺（TMP）等。

圖14TMP

微/小型系留氣球作為一種成熟的戰術部署浮空器，結構緊湊，可快速部署、快速移動，越來越受到軍事作戰和民用通信的青睞，在各應用領域均發揮了重要作用，其價值愈發凸顯。目前，微/小型系留氣球在各大國均達到成熟的工程化應用，國內包括中國科學院光電研究院在內的相關單位也在積極的研發相關產品，我們在發展微/小型系留氣球平臺時應該有所側重，避開短板而發展自身優勢。魚和熊掌不可兼得，我們可以適當的摒棄大型系留球所具備的一些特征和作用，而注重自身的靈活輕便的特性，當然，在發展過程中會遇到一系列與各個學科相關的困難，比如較高比強度的球體材料的研制、更輕便且高強度線纜的研制、輕便而模塊化的錨泊與發放設施的研制等，這些困難會隨著復合材料、機械工程、光電集成等各個學科的發展以及在系留氣球科研人員不懈努力下逐一解決，日后微/小型系留氣球平臺必將能在國內飛行器市場上占據重要的一席之地。