系留光缆：结构和性能要求分析

表面看，系留光缆就相当于拖曳气球的缆绳。实际上，系留光缆指连接装在气球里的探测设备与地面中控室或操作平台的一种缆绳，它集合张力绳和光纤通信、电力输送等作用于一体，是一种光电复合缆。目前大多系留光缆的功能是以通信为主，所以我们把它作为一种特殊结构的光缆。系留缆绳是气球升空与回收不可缺少的器件，决定了系留气球系统在高空中是否安全、可靠工作，还决定了气球的升空高度以及空中的稳定性，因此被视作系留气球平台的“生命线”。

系留缆绳设计材料必须具有单位重量轻、柔软性好、可反复收放和弯曲等的特点。

系留光缆主要用于民用和军用。

（1）民用。用于临时或应急通信，如海上、沙漠、草原等局部区域活动或大型比赛项目的无线信号传输；地震震区通信、救援；地形测绘、环境监测和气象预报等。

（2）军用。用于侦察和通信、军事演习，如通过气球将雷达升空，提高雷达发现目标的视距，扩大探测范围，实施超地平线探测等。另外，为保护飞行器免遭导弹袭击，从飞行器上应急弹射的拖曳弹或伪目标可以用系留绳牵拉。

根据气球的性质、高度和大小，风对气球的作用导致系留绳上负荷可达到几十千牛顿至上百千牛顿的拉力，而且力值随风力的大小变化不定，所以对系留光缆的要求也很高。系留光缆受力性质类似于电力线路上的ADSS光缆，必须保证光缆在受力前后结构稳定，即保证光纤性能不受影响，受力拉伸时电气绝缘性能和铜导体输电性能不受影响。

系留光缆的结构及性能要求如下。

1）光单元

系留光缆有紧套和松套两种基本的光单元结构。

紧套结构方便制作连接器端头，同时也可以放置在电缆的空隙中，但是没有光纤余长，在长期大拉力作用下，衰减容易波动和变化，光纤数量也受限制。

松套结构光缆芯数相对较大，而且有光纤余长，在一定光缆应变条件下，光纤性能稳定，但光纤接头不如紧套光纤方便。目前松套管结构的光纤接头已经不算是难题，有很多的解决办法，比如可以通过预制成端（MPO）技术解决接头难题。

系留缆绳需要经常性收放，这与ADSS光缆固定位置完全不同，收卷时会受到较大的侧压力或拉力。不管是紧套还是松套光单元，结构设计时应尽量避免光纤或套管受侧压。系留缆的使用寿命一般为数年，肯定是不如ADSS光缆使用寿命长。

2）电缆单元

（1）导体部分

基于成本和载流量大小考虑，系留光缆内电力导线单元的设计通常使用细软铜线或者镀银铜线。导线的载流量指标对导体截面积的选取以及最终设计的系留缆绳外径尺寸、重量等有较大影响，同时还与导体内绞合的单线根数、单线截面积和系留缆绳释放的高度等相关。电力导线载流量需要根据用户对缆绳的最大传输功率、工作电压、功率损耗、缆绳正常工作温升等要求对系留缆绳中电力导线单元的载流量进行设计。

（2）绝缘层

绝缘层宜采用绝缘性好且较柔软的材料。根据飞行器浮空高度，系留缆绳长度会有较大的差别，有时大长度（浮空高）系留缆绳会采用高压、低电流方式传输能源，以降低缆绳的功率损耗，而浮空低的系留气球则无须进行高压传输。系留缆绳内电缆的传输电压从几百伏到几千伏不等，因此电缆单元设计时应根据实际耐压要求选择合适的绝缘材料，合理设计导线绝缘层的厚度，并同时兼顾系留缆绳外径和重量的要求。(www.xing528.com)

3）加强元件

系留光缆要求重量轻，强度高，为保护缆芯，系留光缆一般采用非金属纤维材料作为加强件。一方面可以满足较高的抗拉强度，大大减轻缆的重量，另一方面还可以通过纤维材料对缆芯的铠装保护作用，缓冲侧压力对光单元的直接施压。表8.6.1列出了几种高模量非金属纤维，如聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）纤维、高强度聚乙烯纤维（UHMW－PE）、玻璃纤维、芳纶纱（Kevlar－49）等性能参数对比表。从表中可以看出，PBO纤维的性能最为优越，但其价格较高，产量不大，性价比较低；UHMW－PE纤维的耐热温度较低，在成缆加工以及使用过程中易出现因受热导致强度下降的问题，特别是聚乙烯护套加工温度都在220℃以上，生产环节隔热不好容易融化纤维，风险太大，所以不宜使用；E玻纤的密度较大，会使系留缆绳的重量指标较难控制，而且抗弯、耐磨性能略差；芳纶纤维（Kevlar－49）可以在满足设计要求的同时具备较高的性价比，因此较适合作为系留缆绳的承力元件。

表8.6.1　各纤维主要性能参数指标对比

4）防雷保护单元

气球长期在几百甚至几千米的高空工作，系留光缆会穿过雷电多发空间。在气球升空、定点、回收时，雷电都有可能对球载设备、系留缆绳、地面设备和人员造成直接或间接雷击伤害，所以必须采取有效措施防止雷电破坏系留气球结构的完整性，损坏或干扰电子设备的正常工作，以及防止危及工作人员生命安全。

升空气球的防雷是一个复杂的系统，除高空中电子设备和气球自身防雷外，地面的设备和人员的防雷也是必需的。除带电云层对升空气球的影响外，还有高空静电影响，也必须消除。因为高空气球在使用过程中，由于气流的摩擦带电、微粒的撞击和沉积、雷暴云中电荷的感应等会使安装于气球表面的设备带上静电荷。当静电荷聚集到一定程度，在电场的作用下，这些区域附近沿电场方向的空气会发生击穿，造成短时间的局部放电。为了防止静电累积造成的危害，将安装在气球表面的所有金属构件搭接成一体，通过防雷编织网将球上积累的静电释放到地面。为避免静电和雷电对系统的冲击，系留缆绳上会设计雷电保护层。

系留缆绳的雷电防护层是在缆芯外编织铜丝网，以将系留气球和缆绳上的感应雷电流泄放到大地。另外，由于系留缆绳在系留与回收时都会在绞盘和张力释放装置上缠绕若干圈或若干层光缆，此时雷电电流不可能在最短时间内通过雷电防护编织网泄放到地面。为防止外护套被击穿或烧毁，在进行系留缆绳设计时，留缆绳的外护套可采用半导电的材料，这样能够将防雷编织网的雷电电流有效地传导到锚泊车导向滑轮上，通过锚泊车接地装置有效地将雷电电流释放到大地。

5）外护套

系留缆绳的护套主要作用是对缆绳内的各单元提供保护。系留缆绳外护套直接暴露于外界环境中，特别是一些升空气球高度为几千米，高空中的低温环境和紫外线等较强，因此外护套材料应具备耐高低温、耐太阳辐射等性能。系留缆绳在收放时通常需进行高速反复卷绕，缆绳与绞盘会产生相互摩擦，因此系留缆绳的外护套需具备一定的耐磨性。根据防雷要求，还需掺加半导电材料，增强防雷电性能。

图8.6.1为两种典型的系留光缆结构，其区别在于缆芯中的光单元结构。

一个完整的系留气球系统，包括气球平台和地面控制系统，系留缆绳好比升空气球控制系统的神经元。就气球平台来说，它又包含能源、通信、结构和测控等部分，也是专门的学科。

系留光缆的生产制造工艺与前面的相关缆型没有特别之处，所以不做介绍。

与系留光缆具有相似工作环境条件的还有拖曳光缆，吊放光缆等，用于完成信息传输，对设备供电及拖曳或悬吊侦察设备等。

图8.6.1　系留光缆结构示意图