解鹏飞 黄宏健 万 欢
航空工业特种飞行器研究所，湖北荆门448035
摘要：为了研究系留气球头锥载荷，本文基于LMS Virtual.Lab软件，充分考虑了影响载荷的各个因素包括浮力、气动阻力、升力、侧力、球体偏转对应的角度等，建立了包括系留气球、锚泊车等在内的动力学模型，求解出不同风速风向下头锥的载荷，对系留气球的设计有一定的指导意义。
关键词：系留气球，头锥，动力学，载荷
1 概述
系留气球是一种自身不带动力、依靠浮力升空的浮空器飞行器，并用缆绳栓系固定的浮空器【1-3】。借助于系留缆绳、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，系留气球平台系统包括球体结构、系留缆绳组件、锚泊设施及地面保障设施等；其具有连续留空时间长、生存能力强、研制与使用成本低、使用维护方便、便于搭载各种任务载荷系统等特点，可广泛应用于远距离监视、环境监测、通信中继及突发事件等【4】。
系留气球在地面锚泊时，系留气球的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”。由于锚泊系统与球体刚度和质量的差异，在风载的作用下，锚泊车与球体之间会产生相对运动，此过程对系留气球头锥产生较大的冲击，冲击带来较大的动载荷，因此本文提出基于动力学仿真对系留气球锚泊状态时头锥载荷进行分析。
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2 系留气球模型的建立
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。
2.1 系留气球模型
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；
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。
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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。仿真的主要结果如下：
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上图可知：在运动仿真中，给定初始条件，当风向和风速随着设置的参数开始变化时，球体在侧向风载荷作用下开始运动，直到求解时长60s结束。球体的迎角在风的侧向角改变后，由0°开始迅速增大到最大值，之后震荡减小，最后稳定在0°左右，而侧滑角在15s内由0°改变到98.21°，侧滑角从0°逐渐增大，直到40s与风向角相等，此时球体与风的侧滑角为0°。
3 小结
本文充分考虑了影响载荷的各个因素包括浮力、气动阻力、升力、侧力、球体偏转对应的角度等，建立了包括系留气球、锚泊车等在内的动力学模型，求解出不同风速风向下头锥的载荷，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 刘鹏，盛怀洁，廖明飞. 浮空器优势分析及其军事应用[J]. 飞航导弹，2011(9): 84-87
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)