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[摘 要]为保证系留气球及其负载的安全，在冰雪等恶劣天气情况下，通过补充氦气提高气球的抗冰雪能力。本文首先分析了抵御冰雪天气的措施；接着，给出了補充氦气量的计算步骤，最后根据一个典型案例进行实际验证。结果显示该方法能很好的保证系留气球抵御恶劣天气，并且雪后没有产生过多氦气量，减少了处理氦气的工作量。这对气球指挥人员在实际工作中为气球补充氦气操作具有一定的参考价值。
[关键词]系留气球；冰雪天气；氦气；估算方法
中图分类号：R709 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0383-02
1 引言
系留气球[1-2]是一种依靠气囊内氦气获得浮力，通过缆绳约束在既定高度滞空的无动力浮空器，具有留空时间长、覆盖面积大、能耗低、便于拆收、机动性强等特点，可用于气象预报、广播通讯、地形测绘、低空预警、边海防的空中监测以及反恐监视等方面，但由于系留气球主体是充气囊体，一般相对体积较大，使用中不可避免受气象条件影响，特别是夏季雷暴和冬季冰雪，因此当系留气球处于地面系留时，必须具有合适和足够的浮力抵抗恶劣天气的影响。
本文将以冰雪天气下系留气球系统工作为研究对象，研究其在抵御恶劣天气时补充氦气量的估算分析
2 抵御冰雪天气的措施分析
图1为系留气球雪天在地面系留状态，气球在地面系留时，靠头锥及拉索固定在地面系留设施上，气球的浮力、重力及系绳拉力保持平衡状态，维持了气球的安全系留。
①
而在冰雪天气时，冰雪不断地覆盖在气球表面上，导致整个气球的重力不停增加，一旦时，系绳拉力为0，球体下沉，导致球下任务载荷及其球体碰撞地面或地面设施，导致任务载荷以及气球损坏。
尤其是尾翼面积较大，将导致重心后移，而气球的浮心位置不变，这样，重心和浮心不在同一条垂直线上，球体尾部将下垂，气球俯仰角加大，如图2所示。这会导致气球的气动稳定性变差，一旦出现风，很容易导致气球失稳。
因此，为了保证任务载荷、气球不损坏以及提高气球稳定性，需要采取必要的措施。
传统措施一般是采用消防车灌热水冲刷球体表面以除去覆盖在球表上的以及尾翼上的冰雪，减少整个气球的重力，使得。
但是，热水在锅炉中加热以及通过水泵充灌到消防车中要消耗一定的时间，比如装水5立方米的锅炉加热到60摄氏度，然后充灌到消防车里，需要一个小时左右。这就意味着在这一个小时内，采用消防车灌热水冲刷球体表面的措施无法除去冰雪。因此，为了保证气球及其任务载荷的安全，需要采用其他的措施。
通过公式①可知，要保证球体一段时间内不下沉的条件是：
式中，为球体内的初始浮力，为一段时间内球体内增加的浮力；为气球的初始重力；为一段时间内冰雪增加的重力。
当的前提条件下，如果，则气球不下沉。
因此，冰雪天气下，补充氦气量，增加气球的浮力是保护气球及其任务载荷的必要安全措施。
但是补氦气量必须控制在合适的范围内，补氦气量过少达不到保护气球的目的，补氦气量过多则增加雪后回收氦气的工作，并且费时费力，对于氦气资源会造成一定的浪费。所以对于补充氦气量的估算分析是下雪天气保护气球安全性的必要方法。
3 补氦气量的估算分析
3.1 条件假设
由于实际情况下，气象复杂，影响因素多变，为了分析方便，作以下假设：
1）气体处于标准状态，即T0=288K.15、P0=10332.3kg/m2密度并不随着温度、海拔等因素改变；
2）风速为0或无风速影响；
3）只考虑雪量影响，不考虑结冰现象，且均匀分布球体上表面；
4）下雪时间为一小时。
3.2 雪量等级分析
在天气预报中，不同强度的降雪主要以降雪量来衡量，一般有暴雪、大雪、中雪、小雪四个级别。暴雪是12小时内降雪量大于6.0mm或24小时内降雪量大于10.0mm（折合为积雪融化后的雨水量，下同），积雪深度达到80mm的降雪过程；大雪是12小时内降雪量3.0～6.0mm或24小时内降雪量5.0～10.0mm，积雪深度达到50mm的降雪过程；中雪是12小时内降雪量1.0～3.0mm或24小时内降雪量2.5～5.0mm，积雪深度达到30mm的降雪过程；小雪是12小时内降雪量小于1.0mm或24小时内降雪量小于2.5mm的降雪过程。根据上面降雪量我们估算每小时内积雪深度的平均值h，见下图表1。
3.3 冰雪覆盖面积计算
冰雪覆盖面积为气球在地面的投影面积，即俯视图的面积。
气球母线方程为：
通过对母线方程积分可求出气球的准确投影面积，也可根据体积与面积的关系推导出相似形状的经验公式：
V=k1×L ②
S=k2×L ③
在公式②、③中，V是体积，S是投影面积，L是长度，k1、k2代表系数。通过这两个公式，推导出体积与投影面积的公式：
根据已知某型号气球的体积与投影面积，计算出系数k=0.434，得出球体相似形状投影面积的经验公式：
3.4 积雪量计算
根据以上平均每小时积雪深度h和投影面积S，可得出平均每小时落在球上雪的重量：
④
在公式中，ρ雪为松软雪的密度，大约在0.04～0.1g/cm3，取其最大值ρ雪=0.1g/cm3，即ρ雪=100km/cm3。
由此可计算出平均每小时落在球上雪的重量。
3.5 补氦量计算
根据雪的重量，估算补氦气量。在标准状态下（T0=288.15K、P0=10332.3kg/m2）氦气和空气密度：=1.225kg/m3、=0.169kg/m3。
根据公式：
⑤
以及根據公式④：
=G
代入相应的数值，即可计算出标准状态下所需要补充的氦气量V补的值。
4 案例分析
冬季天气预报6小时后有暴雪降临，在放飞现场某一型号气球处于地面系留状态，体积为16000m3，当时环境温度为-20C，海拔高度为100米，为保证气球及其系统安全，应给气球补充一定量氦气。
雪为暴雪，根据表1，暴雪平均每小时降雪深度是>3.3mm，取最小值h=3.3×10-3m，气球体积V球=16000m3，根据公式④、⑤，代入相应数值，得出在标准状态下应补充的氦气量最小值V补=346m3。在实际环境下，气体体积受温度，风速，压力等原因影响，为避免计算的复杂性，由于气体受温度影响最大，我们可以根据气体状态方程：
P0V0/T0=P1V1/T2
计算在温度为-20C，即温度T1=271.15K下，需要补充的氦气量最小值V1=326m3。
不过，由于实际天气情况更加复杂多变，受风速、压力等环境因素影响，在给气球补充氦气时可以根据天气情况的恶劣程度，可以补充双倍计算数值的氦气量，以确保气球的安全性。2012年冬天，北京某放飞场下雪，气球在地面系留，通过这种补氦气量估算分
析，补充氦气700m3，保证了气球及其系统的安全。通过这次实践证明，本文的计算分析方法步骤正确，安全可靠。
5 结束语
本文运用具体计算法估算出系留气球在地面系留时冰雪状态下为了保证气球的安全性所要补充的氦气量，并且通过气球在放飞现场遇到冰雪天气时补充氦气量的实际验证说明该计算方法的可靠性。为气球指挥人员在气球遇到冰雪天气的时候需要补充氦气操作时提供一定的参考价值。
参考文献
[1] 曹洁.国外系留气球的发展与应用[J].科技资讯，2010（25）：6-7.
[2] 彭桂林、陈利.系留气球系统除冰雪装置的研制[J].机械与电子，2009（1）：17-20.
作者简介
程少杰（1986-）男，中国电子科技集团第三十八研究工程师，主要从事浮空器飞行试验使用研究工作。
[关键词]系留气球；冰雪天气；氦气；估算方法
中图分类号：R709 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0383-02
1 引言
系留气球[1-2]是一种依靠气囊内氦气获得浮力，通过缆绳约束在既定高度滞空的无动力浮空器，具有留空时间长、覆盖面积大、能耗低、便于拆收、机动性强等特点，可用于气象预报、广播通讯、地形测绘、低空预警、边海防的空中监测以及反恐监视等方面，但由于系留气球主体是充气囊体，一般相对体积较大，使用中不可避免受气象条件影响，特别是夏季雷暴和冬季冰雪，因此当系留气球处于地面系留时，必须具有合适和足够的浮力抵抗恶劣天气的影响。
本文将以冰雪天气下系留气球系统工作为研究对象，研究其在抵御恶劣天气时补充氦气量的估算分析
2 抵御冰雪天气的措施分析
图1为系留气球雪天在地面系留状态，气球在地面系留时，靠头锥及拉索固定在地面系留设施上，气球的浮力、重力及系绳拉力保持平衡状态，维持了气球的安全系留。
①
而在冰雪天气时，冰雪不断地覆盖在气球表面上，导致整个气球的重力不停增加，一旦时，系绳拉力为0，球体下沉，导致球下任务载荷及其球体碰撞地面或地面设施，导致任务载荷以及气球损坏。
尤其是尾翼面积较大，将导致重心后移，而气球的浮心位置不变，这样，重心和浮心不在同一条垂直线上，球体尾部将下垂，气球俯仰角加大，如图2所示。这会导致气球的气动稳定性变差，一旦出现风，很容易导致气球失稳。
因此，为了保证任务载荷、气球不损坏以及提高气球稳定性，需要采取必要的措施。
传统措施一般是采用消防车灌热水冲刷球体表面以除去覆盖在球表上的以及尾翼上的冰雪，减少整个气球的重力，使得。
但是，热水在锅炉中加热以及通过水泵充灌到消防车中要消耗一定的时间，比如装水5立方米的锅炉加热到60摄氏度，然后充灌到消防车里，需要一个小时左右。这就意味着在这一个小时内，采用消防车灌热水冲刷球体表面的措施无法除去冰雪。因此，为了保证气球及其任务载荷的安全，需要采用其他的措施。
通过公式①可知，要保证球体一段时间内不下沉的条件是：
式中，为球体内的初始浮力，为一段时间内球体内增加的浮力；为气球的初始重力；为一段时间内冰雪增加的重力。
当的前提条件下，如果，则气球不下沉。
因此，冰雪天气下，补充氦气量，增加气球的浮力是保护气球及其任务载荷的必要安全措施。
但是补氦气量必须控制在合适的范围内，补氦气量过少达不到保护气球的目的，补氦气量过多则增加雪后回收氦气的工作，并且费时费力，对于氦气资源会造成一定的浪费。所以对于补充氦气量的估算分析是下雪天气保护气球安全性的必要方法。
3 补氦气量的估算分析
3.1 条件假设
由于实际情况下，气象复杂，影响因素多变，为了分析方便，作以下假设：
1）气体处于标准状态，即T0=288K.15、P0=10332.3kg/m2密度并不随着温度、海拔等因素改变；
2）风速为0或无风速影响；
3）只考虑雪量影响，不考虑结冰现象，且均匀分布球体上表面；
4）下雪时间为一小时。
3.2 雪量等级分析
在天气预报中，不同强度的降雪主要以降雪量来衡量，一般有暴雪、大雪、中雪、小雪四个级别。暴雪是12小时内降雪量大于6.0mm或24小时内降雪量大于10.0mm（折合为积雪融化后的雨水量，下同），积雪深度达到80mm的降雪过程；大雪是12小时内降雪量3.0～6.0mm或24小时内降雪量5.0～10.0mm，积雪深度达到50mm的降雪过程；中雪是12小时内降雪量1.0～3.0mm或24小时内降雪量2.5～5.0mm，积雪深度达到30mm的降雪过程；小雪是12小时内降雪量小于1.0mm或24小时内降雪量小于2.5mm的降雪过程。根据上面降雪量我们估算每小时内积雪深度的平均值h，见下图表1。
3.3 冰雪覆盖面积计算
冰雪覆盖面积为气球在地面的投影面积，即俯视图的面积。
气球母线方程为：
通过对母线方程积分可求出气球的准确投影面积，也可根据体积与面积的关系推导出相似形状的经验公式：
V=k1×L ②
S=k2×L ③
在公式②、③中，V是体积，S是投影面积，L是长度，k1、k2代表系数。通过这两个公式，推导出体积与投影面积的公式：
根据已知某型号气球的体积与投影面积，计算出系数k=0.434，得出球体相似形状投影面积的经验公式：
3.4 积雪量计算
根据以上平均每小时积雪深度h和投影面积S，可得出平均每小时落在球上雪的重量：
④
在公式中，ρ雪为松软雪的密度，大约在0.04～0.1g/cm3，取其最大值ρ雪=0.1g/cm3，即ρ雪=100km/cm3。
由此可计算出平均每小时落在球上雪的重量。
3.5 补氦量计算
根据雪的重量，估算补氦气量。在标准状态下（T0=288.15K、P0=10332.3kg/m2）氦气和空气密度：=1.225kg/m3、=0.169kg/m3。
根据公式：
⑤
以及根據公式④：
=G
代入相应的数值，即可计算出标准状态下所需要补充的氦气量V补的值。
4 案例分析
冬季天气预报6小时后有暴雪降临，在放飞现场某一型号气球处于地面系留状态，体积为16000m3，当时环境温度为-20C，海拔高度为100米，为保证气球及其系统安全，应给气球补充一定量氦气。
雪为暴雪，根据表1，暴雪平均每小时降雪深度是>3.3mm，取最小值h=3.3×10-3m，气球体积V球=16000m3，根据公式④、⑤，代入相应数值，得出在标准状态下应补充的氦气量最小值V补=346m3。在实际环境下，气体体积受温度，风速，压力等原因影响，为避免计算的复杂性，由于气体受温度影响最大，我们可以根据气体状态方程：
P0V0/T0=P1V1/T2
计算在温度为-20C，即温度T1=271.15K下，需要补充的氦气量最小值V1=326m3。
不过，由于实际天气情况更加复杂多变，受风速、压力等环境因素影响，在给气球补充氦气时可以根据天气情况的恶劣程度，可以补充双倍计算数值的氦气量，以确保气球的安全性。2012年冬天，北京某放飞场下雪，气球在地面系留，通过这种补氦气量估算分
析，补充氦气700m3，保证了气球及其系统的安全。通过这次实践证明，本文的计算分析方法步骤正确，安全可靠。
5 结束语
本文运用具体计算法估算出系留气球在地面系留时冰雪状态下为了保证气球的安全性所要补充的氦气量，并且通过气球在放飞现场遇到冰雪天气时补充氦气量的实际验证说明该计算方法的可靠性。为气球指挥人员在气球遇到冰雪天气的时候需要补充氦气操作时提供一定的参考价值。
参考文献
[1] 曹洁.国外系留气球的发展与应用[J].科技资讯，2010（25）：6-7.
[2] 彭桂林、陈利.系留气球系统除冰雪装置的研制[J].机械与电子，2009（1）：17-20.
作者简介
程少杰（1986-）男，中国电子科技集团第三十八研究工程师，主要从事浮空器飞行试验使用研究工作。