临近空间飞艇囊体材料性能研究

简述了临近空间飞艇囊体研究概况,提出了临近空间飞艇囊体技术要求。对临近空间高空飞艇囊体材料进行了综合测试和试验分析。最后针对临近空间飞艇囊体研制目前存在的问题,结合囊体测试数据分析,提出了一些建议。

临近空间飞艇保形升空过程热运动特性研究

为了掌握双气囊临近空间飞艇升空过程中因保形需要而导致的复杂的热运动特性,文章建立了飞艇升空过程中的热平衡模型与运动模型,对某双气囊飞艇的保形升空过程进行仿真研究,获得了临近空间飞艇升空过程中轨迹与温度的变化规律。结果表明:临近空间飞艇保形升空时,升空速度呈现先降低后升高的变化趋势;受升空过程中氦气囊膨胀对外做功的影响,内部气体“过冷”现象明显,“过冷”最高可达20K;当飞艇升至驻空高度附近时,内部气体温度快速上升;受净浮力影响,飞艇的升空时间与充气质量呈反比;受夏至日太阳辐射投影面积的影响,飞艇升空过程中俯仰角越大,虽然阻力系数减小,但辐射得热降低,造成整体升空时间增加;气囊超压设置越大,飞艇升空时间越长。研究成果对临近空间飞艇的升空与运行控制具有一定的指导作用。

临近空间飞艇蒙皮三维形变多芯光纤重构技术

为解决临近空间飞艇气囊形态实时监测问题,提出了基于温度自解耦多芯光纤传感器的气囊蒙皮三维形变重构方法。根据飞艇气囊三维形态特征,设计了多芯光纤传感器布局和布设方式。将多芯光纤传感结构与Frenet-Serret方程相结合,建立了具备温度自解耦功能的蒙皮三维形变重构算法。以飞艇气囊柔性复合蒙皮为试验对象,设计并集成建立了蒙皮三维形变多芯光纤重构试验系统。试验分析了温度变化环境下多芯光纤传感器三维形变重构精度以及不同弯曲度下蒙皮三维形变型面重构精度,验证了所提方法的有效性。研究结果表明:利用多芯光纤传感器和温度自解耦方法能够在大变温环境下准确重构气囊蒙皮形变,蒙皮三维型面重构误差平均值小于1.5%,所提方法在临近空间飞艇气囊形态实时监测领域具有应用前景。

基于遗传算法的临近空间飞艇多学科优化设计

临近空间飞艇设计中,确定系统总体参数、给出优化的艇体外形十分关键,针对传统设计方法,为改进其中串行设计的不足,提出了并行多学科优化设计方法;并基于遗传算法开展了飞艇外形优化设计方法研究,结合气动、结构、强度进行了一体化优化。仿真结果表明利用遗传算法开展飞艇多学科优化是可行的,另外在进行设计时,不能仅将减阻作为研究重点,还应全面考虑结构重量、强度等其它因素。

临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究

综合考虑太阳辐射、长波辐射、对流换热等热环境因素对临近空间飞艇热特性的影响,建立飞艇热特性的数学模型,编写程序并计算得到蒙皮表面温度分布。以此作为热边界条件,采用Fluent软件模拟其内部自然对流的流动状态和温度分布,对不同季节不同时刻飞艇内部自然对流换热系数进行了计算分析,并对四个自然对流经验公式进行了评价分析。结果表明,Eckert-Jackson和Bayley公式更适用于计算浮空器内部自然对流换热,与数值模拟结果相比,平均绝对误差(MAD)分别为22.6%和24.1%。

临近空间飞艇蒙皮用材料撕裂行为的数字散斑法研究

针对Vectran纤维增强型临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压织物复合材料,利用非接触式数字散斑相关试验方法,测定了预制初始裂纹长度为15 mm的中心切口试样撕裂行为的位移场和应变场分布,定量测量了撕裂试样不同撕裂载荷工况下的全场变形值和平面应力撕裂断裂韧性值,对中心切口裂纹的撕裂强度进行了分析。试验结果表明:该方法可以用来测量临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压复合织物大范围变形的撕裂裂纹尖端及附近区域的变形场,通过变形场云图可以获得撕裂裂纹扩展过程中的变形特征,并可直观的研究撕裂裂纹尖端复杂变形场的形态,为临近空间飞艇蒙皮材料的撕裂损伤行为研究提供新的试验途径。

临近空间飞艇外形优化设计与仿真

以临近空间飞艇为对象,针对传统外形设计方法中存在的问题,提出了新的优化设计方法,搭建了流程框架,编制了优化程序。首先研究了遗传算法及多学科设计理论,进而在此基础上建立了飞艇阻力、体面比、应力模型,利用多学科设计理念对飞艇气动、结构、强度进行了一体化设计。其次将遗传算法引入到优化设计当中,并利用Matlab和Fluent开展了联合仿真研究。最后结合实际应用需求进行了算例分析,验证了该方法的可行性和效果。

临近空间飞艇艇库外约束及稳定性分析

临近空间飞艇在发放前通常停放在艇库内,一旦离开艇库就不可避免地受到艇库外天气,尤其地面风的影响,不仅影响飞艇发放操作的快捷和安全,而且还事关飞行试验的成败。文章建立了大型飞艇在地面受两侧约束时的力学模型,采用动力学方法,分析了受到地面风作用时飞艇的姿态和约束拉力的变化,得到地面风起时和风速稳定后的解析解,评估了飞艇受到地面风作用时的稳定性和安全性。通过分析得到在两侧约束条件下飞艇对正向风和侧风的承受极限,为临近空间飞艇采用两侧约束方式的可行性提供了判据,也为今后发展临近空间飞艇发放技术提供借鉴。

临近空间飞艇内部自然对流的流场特征仿真

针对临近空间飞艇,对其内部氦气的自然对流特征进行了数值模拟。采用计算流体力学方法,并利用自编的用户自定义函数将外部的温度边界条件导入壁面网格。在不同的稳态条件下,通过对内部氦气压力、温度、速度的分布等流场特征参数的研究,分析了临近空间飞艇内部气体自然对流的运动特性及其影响规律,并对自然对流非稳态变化过程进行了初步的探索。仿真结果表明,在临近空间环境下,飞艇内部氦气的自然对流,对于内部氦气自身的热交换具有一定程度的促进作用,而对蒙皮受力和结构安全性影响很小。

临近空间飞艇电源系统新型拓扑结构研究

针对临近空间飞艇高压载荷的需求,文章研究了飞艇高压动力母线控制电路的拓扑结构,提出更高效、更实用的高压拓扑控制电路,设计了三电平电压变换拓扑结构,可有效减小元器件电压应力,解决高压动力母线带来的问题,提高系统的效率和可靠性。实验表明,三电平电压变换拓扑结构适用于高输入和高输出电压中大功率的应用场合,能够满足临近空间飞艇电源系统的需求。

X型尾翼临近空间飞艇隐身特性仿真

为了降低临近空间飞艇的雷达散射截面(RCS)特性,研究了X型尾翼变形角的不同对临近空间飞艇RCS特性的影响.采用物理光学法仿真出X型尾翼不同变形角对临近空间飞艇头向、侧向和尾向RCS特性的影响,并分别采用物理光学法和多层快速多极子法(MLFMM)计算对比球的RCS.对比说明了物理光学法是准确合适的.仿真结果表明,X型尾翼变形角的不同对飞艇头向RCS影响较小,对侧向的RCS影响较大.变形角从0°增加到20°时,侧向RCS减小到0°时的13.7%.X型尾翼的变形可以显著改善临近空间飞艇侧向隐身性能,同时增大了其他方向的RCS.

空间飞艇无线通信系统太阳能供电设计仿真

空间飞艇无线通信系统为其安全飞行提供必要数据支持,而供电设计则是制约空间飞艇的安全飞行时长。为了配合空间飞艇的长航时飞行,针对无线通信系统的持久供电问题,利用太阳能电池进行自供电设计。高转换效率是自供电设计的重要技术难点。为了提升太阳能自供电系统的转换效率,对传统的BOOST电路结构和最大功率点跟踪算法进行优化设计。采用同步BOOST电路结构降低电路功耗,并提出了高效率的自适应电导增量法。最后进行了Simulink仿真设计,以及硬件电路设计。实验结果表明,自适应自导增量法实现了快速、高效的最大功率点跟踪,硬件电路系统实现太阳能电池的能源转换。整个系统设计合理可行。

表面等离子体波在临近空间飞艇减阻中的应用研究

采用等离子体流动控制技术改善飞行器气动与推进性能,是近年来流动控制领域的研究前沿。在临近空间稀薄大气条件下,表面等离子体波可产生大面积、高密度等离子体,应用于临近空间飞艇可实现减阻的目的。分析了表面等离子体波在临近空间飞艇减阻中应用的基本原理,介绍了临近空间飞艇螺旋桨推进技术、临近空间飞艇气动减阻技术、等离子体流动控制技术、表面等离子体波减阻技术的研究现状,对研究表面等离子体波在飞行器减阻中的应用具有一定的指导作用。

多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真

针对多囊体临近空间飞艇多要素耦合仿真及长航时能力评估的迫切需求,详细阐述了多囊体临近空间飞艇六自由度位置与姿态动力学模型、环境热力学模型、内外囊体热力学模型及囊体氦气损失模型,通过位置、时间、姿态、空速等动力学输出信息与压力成形体积、氦气质量等热力学输出信息实现平台力热动态耦合,能够全面反映飞艇在大气环境及操纵力作用下力热耦合变化规律,具备飞艇平台超热超压安全下的长航时定量评估能力。通过仿真发现,囊体内氦气在随风飘状态下最大超热达到55℃左右,为保证内外囊体白天压力安全需主动释放氦气导致飞行高度上升约100 m,夜晚囊体内压将至0 Pa无法维形保持浮力导致驻空高度快速降低,姿态振荡加剧,驻空航时仅有26.5 h,且动力全开无法获得稳定的航向飞行,空速来流降温无法最大效能发挥,需要控制系统接入实现动态闭环航路飞行,才能实现长航时飞行,具有重要的工程应用价值。

半硬式临近空间飞艇结构设计技术研究

结合某型号工程实例,简述了半硬式临近空间飞艇中各种承载部件的结构布局形式,以及结构之间的连接形式;以纺锤形临近空间飞艇为例,利用经验公式对软式、半硬式艇体分系统的质量进行评估;应用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元分析软件分别建立软式、半硬式两种形式的结构有限元模型,并进行强度求解。结果表明:在相同边界约束、工况条件下,与软式飞艇相比,半硬式飞艇不仅结构强度高,有着很高的结构承载效率,而且有利于结构重心的布置,更符合结构设计规范要求。

三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析

微米尺度的沟槽是临近空间飞艇大面积减阻的一种可行的减阻形式.以临近空间飞艇减阻为研究背景,通过采用k-ωSST湍流模式,对微米尺度的三角形沟槽进行了流场分析,得到了三角形沟槽壁面流的速度场和压力场.通过计算不同尺寸三角形微沟槽的减阻率和沟槽内的流线形状,分析了微米尺度沟槽的减阻机理和不同沟槽尺寸对减阻能力的影响.研究表明,沟槽内的流线形状对沟槽的减阻能力有重要影响,尺寸合适的沟槽可以减小流体和壁面之间的切应力,减小流动阻力,对临近空间飞艇的蒙皮设计和减阻研究提供了一定参考.