硬式飞艇氦气囊的非饱和形态研究

硬式飞艇升空前其内置氦气囊充气比例(饱和度)小于100%,氦气囊是非饱和的。氦气囊的非饱和形态影响飞艇内置氦气囊的布局形式和重心位置。为了研究硬式飞艇氦气囊的非饱和形态变化规律,首先将采用控制体积法获得的氦气囊的饱和形态作为初始状态,利用任意拉格朗日–欧拉方法模拟氦气囊的泄气过程,获得了气囊和流场之间的动态关系、不同饱和度的气囊形态及内压等主要参数。然后进行了地面氦气囊泄气试验,并将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,泄气初始阶段囊体的外形变化较小,气囊中上部维持饱和形态不变,气囊底部及其两侧形状最先变化;随着饱和度的降低,囊体底部被挤压的区域逐渐向上移动,囊内压力逐渐降低。该研究可为飞艇氦气囊设计及氦气囊的布局形式提供参考。

基于流固耦合的氦气囊非稳定形态机理分析

为了揭示飞艇内置氦气囊在非稳定状态下的形态变化机理,建立了单个氦气囊模型,基于ANSYS的瞬态动力分析和CFX的多场耦合分析,考虑空气与氦气密度差导致的浮力效应,进行空气和氦气流体及柔性囊体的多场耦合分析.首先基于囊体无应力态进行充气模拟得到初始充气平衡形态,校验数值模拟方法的正确性.然后通过控制氦气排气量模拟氦气囊在0°、10°、20°、30°仰角以及充盈度分别为100%、90%、80%、70%、60%时的形态,并进行变形、应力特征分析.数值结果表明:在仰角为0°时,随充盈度减小,囊体底部约1/3区域发生形态失稳,呈环向均匀小凹陷模态,且向顶部扩展,环向贯通为大凹陷;当有仰角时,凹陷先发生于下腹部,环向非对称,且随仰角增大,下腹部凹陷向顶部扩大.