摘 要：系留气球雷电直接效应防护是一项非常复杂的系统工程，没有任何一个系统可以全面防止雷电灾害。针对雷电干扰的特点、规律和系留气球的使用模式，通过接闪装置、雷电泄放通道、接地装置的设计和布置，把雷电直接效应对系留气球的干扰和影响减少到最低程度。
关键词：系留气球；雷电直接效应；雷电防护；雷电试验
0 引言
系留气球是一种利用轻于空气（LTA）气体的浮力获得升力并可长时间留空的飞行器。在系留气球的试验试飞过程中，一些严重影响系留气球安全的因素也逐渐暴露出来。其中，由于雷电事故所引起的财产损失和型号研制进度的延误是严重的。系留气球一旦遭受直击雷，而又没有安装合格的防直击雷装置，则可能击中球体表面的设备或挂架，甚至击穿囊体，造成不可挽回的损失，因此在系留气球设计时必须进行雷电直接效应防护设计。
本文针对系留气球的使用模式，分析直接效应防护原理，提出接闪装置、接地装置布置，系留缆绳设计关键参数，确定了系留气球雷电直接效应防护设计方法。
1 系留气球雷电直接效应防护原理
目前不论国际还是国内均没有针对系留气球制定的雷电防护标准，只能参考与系留气球特征相似的平台或者系统的雷电防护标准，如GJB 2639-1996《军用飞机雷电防护》、GB 50057-2007《建筑物防雷设计规范》等。但由于系留气球与飞机结构上的差异，根据系留气球的使用模式，将其防护设计划分为接闪针网带、引下线和接地装置。
当系留气球处于升空状态时，接闪装置接闪，附着于接闪装置上的雷电电流经旋转连接器传到系留缆绳上，然后通过系留缆绳传到地面锚泊车泄放到大地，由此完成整个雷电电流泄放过程；当系留气球处于锚泊状态时，接闪装置接闪，附着于接闪装置上的雷电电流传到系留塔上，再通过系留塔泄放到锚泊车车体泄放到大地，由此完成整个雷电电流泄放过程。
2 直接效应防护设计
2.1 接闪装置
接闪装置是系留气球遭受雷击时的主要接闪部件，避免球体和球载设备遭受雷电直接附着。当系留气球处于升空/回收或空中系留状态时，接闪装置主要包括防雷带、防雷带支杆、系留缆绳。
2.1.1 防雷带布置
按照GJB 358-1987、HB/Z 185-1990，单点（P）传导所形成的雷电防护区是以P为顶点，顶角为120°的圆锥体。背脊线（L）传导所形成的一般雷电防护区可以看成是圆锥顶点从a平移到b所形成的区域，如图1所示。
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图1 导体的雷击保护区示意图
根据以上原则及气囊的总体尺寸和设备在球上的布置情况，要求防雷带应能保护囊体上的所有设备，如各种阀门、风机、测控系统等；为保证球上所有设备的安全，它们均应落在防雷带形成的雷电防护区内。
2.1.2 防雷带设计
经过多年的实际应用，按照温升和雷电流大小计算方法选择的防雷带缺点逐渐显现：接闪时易熔断，可能导致灼伤囊体。
可参考飞机雷达罩的分段式分流条设计，防雷带由绝缘的特种纤维绳作为载体，金属扣呈均匀间隙分布在载体上，正常条件下防雷带两端呈现高阻状态，当遭受雷击时，防雷带的金属扣在高电压击穿气隙后会形成一条低阻抗的电离通道，通过这条通道将雷电流泄放到系留缆绳，再将雷电流泄放到地。
2.1.3 防雷带支杆
防雷带支杆安装于球体表面，用于将防雷带撑起一定的高度并固定，这样可大大减小雷击防雷带时的瞬间高温对囊体材料影响，且减少囊体上的危险区。防雷带支杆应选用耐高压绝缘材料，支撑杆表面应光滑无锐角和毛刺，以免支撑杆对球体表面的伤害。根据中国特种飞行器研究所彭平、张金华的研究1可以计算出防雷带支杆的设计高度。
2.2 雷电泄放通道
雷电泄放通道主要起传导雷电流的作用，将直接附着的雷电流或雷电间接效应的感应电流传导至地面，包括系留缆绳、旋转连接器和锚泊车车体等。
2.2.1 旋转连接器
旋转连接器外壳作为雷电流的泄放通道，雷电通路的走向为从防雷带经旋转连接器到系留缆绳，旋转连接器外壳可采用导电性能良好的金属制作。
2.2.2 系留缆绳导雷层
系留缆绳应设有导雷层，提供雷电电流泄放通道，作为防雷引下线使用。
当系留气球处于升空或系留状态时，系留缆绳构成了一个很好的“引雷体”， 其上任意一点遭受雷击，其附着点将产生超高的雷电压和强大的雷电流。图2结构形式的缆绳可以减小导雷层与接触部件的电阻，同时有效保护光纤和电源线。
当系留缆绳遭受雷击时，雷电电流在导体上通过的时间极短，事实证明，此时导体处于绝热升温状态。设雷电电流通过导体发出的热量为Q发=I2Rt = ρI2Lt/S。在相同的雷击条件下同样材料电阻小的导雷层所产生的热量就小，即导雷层所采用的材料直径越大，受到雷击时所产生的热量就越小，导雷层熔化的程度就越小。
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图2 系留缆绳典型结构图
2.3 接地装置
锚泊车是系留气球或缆绳遭受雷击后最主要的泄流点，必须保证雷电流以最快的时间最短距离引入大地，否则会对临近线缆及设备造成危害。方舱或车辆的接地装置与电站接地之间相互连成一个共地的地网，以实现均压，具体布置视阵地各方舱与车辆相互位置而定，宜采用环状或网状连接方式。接地电阻值为10Ω，应优先利用自然接地体，当自然接地体的接地电阻达不到要求时（≤10Ω）再增加人工接地体。人工接地体以集中埋设的垂直接地体为主要接地装置，宜采用热镀锌钢材、铜材或其它耐腐蚀接地材料，垂直接地体长度不小于1.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5~2倍，均匀布置，若遇到土壤电阻率不均匀的地方，可以适当加长；垂直接地体之间用扁钢、扁铜或铜缆连接，上端距地面不应小于1m。接地线宜短直，截面积为35mm2~95mm2，材料为多股铜线。
3 结论
采用本文的雷电防护设计方案，可以有效保护球上设备、线束、系留缆绳等，即使有超过200kA的雷击发生，也不至于对系统造成毁灭性破坏。
参考文献
[1] 合肥航太电物理技术有限公司.航空器雷电防护技术[M]. 北京：航空工业出版社，
2013
[2] GB50057-2010 建筑物防雷设计规范[S].
[3] GJB 2639-1996 军用飞机雷电防护[S].
[4] GJB Z 25-1991 电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南[S].
[5] GJB3567-1999 军用飞机雷电防护鉴定试验方法[S].