平流层飞艇载荷舱电子设备散热仿真分析

飞艇载荷舱电子设备的温度极大地影响了其工作可靠性,随着飞艇载荷舱应用途径的拓展,载荷总功率不断增长,设备设计功耗及热流密度显著提升,但平流层气体密度仅为地面的1/18,对流散热能力差,散热问题逐渐成为制约技术发展的关键问题。文章为了解决高载荷功率下的散热痛点,引入了两相流体回路散热方法,探究其与风扇强迫散热的散热能力,在分析载荷舱电子设备传热特性的基础上,基于计算流体力学,设计了风扇强迫对流散热系统,同时提出一种采用1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)流体回路对平流层载荷舱电子设备散热的方法,并使用表观热容法对其进行仿真,计算了两种散热方式下飞艇载荷舱的温度场和流场,得到了两种方式的散热能力。仿真结果表明,风扇的散热极限工率约为591 W,两相流体回路方式散热可以解决700 W的散热需求,使用风扇散热可以满足基本散热需求;使用两相流体回路方式散热可以对平流层飞艇载荷舱电子设备进行有效热控,为平流层大功率电子设备散热的设计和计算提供思路。

基于载重飞艇的整体立塔技术仿真研究

在输电铁塔的施工中,悬浮抱杆组塔和整体起吊组塔是目前应用广泛的两种组塔方式。针对这些组塔方式存在人员高空作业风险和大重型装备无法到达山区施工现场等问题,提出一种基于载重飞艇的整体立塔方案。该方案在地面完成整个输电铁塔的组装后,利用载重飞艇提供牵引力,使输电铁塔绕铰接式结构旋转直至竖立。针对立塔全过程,根据飞艇的牵引方式、飞行速度、飞艇牵引力与铁塔所形成的夹角对铁塔应力和应变的影响等,分为三种方案进行仿真研究。仿真结果表明,该整体立塔技术方案安全可靠,避免了人员高空作业的危险性,且能使大重型设备到达山区作业现场。

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。

基于MBSE的对流层飞艇运行概念研究

面向对流层飞艇起降过程复杂、气象适应能力弱等特殊性,传统基于文本的运行概念分析方法具有设计一致性较差、设计无法有效追溯、验证困难等局限性。基于此,提出了基于模型的系统工程的对流层飞艇运行概念设计方法。首先,建立系统用例与利益攸关者需求的关联关系,保证了设计可追溯性。然后,基于活动图、时序图与内部块图建立对流层飞艇运行场景模型,详细梳理了飞艇运行的执行逻辑与外部交互关系。通过执行状态机对飞艇运行概念模型进行验证,并进一步补充完善利益攸关者需求。最后,通过执行状态机验证了该无人飞艇系统能够满足任务飞行、飞行控制和应急情况响应等利益攸关者的需求。

附有集中质量的飞艇囊体材料动力特性

针对平流层飞艇刚柔一体大型复杂结构系统设计与分析,开展了附有集中质量的飞艇囊体材料动力特性仿真分析研究,将刚度大、质量相对集中的结构零部件简化为集中质量,飞艇囊体简化为双向拉伸的十字形囊体材料试样,分析预张力大小、集中质量的质量和尺寸对囊体材料试样的动力特性影响.结果表明,试样的固有频率随着预张力增大而增大,随着集中质量的质量增大而减小,随着集中质量与试样连接的边长增加而增大;试样的基频与集中质量的高度无关,但第2,3阶频率随着集中质量的高度增加而减小.研究结论为飞艇结构的总体设计与分析以及进一步开展附有集中质量的飞艇囊体材料动力试验提供了理论依据.

平流层飞艇囊体材料老化测试研究概述

基于对国内外有关囊体材料老化测试研究文献的充分调研,综述了囊体材料老化机理、老化试验方法、试验对象的选取、性能影响表征与评价等方面的研究现状,老化后的囊体材料常用形貌表征、拉伸测试、透氦率表征及化学结构表征等4种表征方法。鉴于当前对平流层飞艇囊体老化研究缺乏统一的评价指标,且大多研究在囊体材料老化性能验证方面存在不足,提出了后续研究的手段和方向,为浮空器囊体材料的可靠性测试研究和发展提供参考。

飞艇在化工园区实时监测预警中的应用

为提升化工园区气体污染物监测能力、降低事故发生率,文章探讨了飞艇作为监测气体污染物平台的可行性。首先,分析化工园区内气体污染物种类,表明监测气体污染物的重要性;其次,指出现有预防监测技术的不足之处;最后,结合飞艇传感器高度集成、体积小巧灵活、续航持久稳定和能耗经济环保等特性,得出飞艇监测的可行性。其结果表明,飞艇作为气体污染物监测平台具有广阔的发展前景,使得化工园区监测范围更加立体、手段更加多元,以期帮助化工园区更好地应对气体污染物泄漏类突发事件,提升应急响应与处置水平。

平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究

针对平流层飞艇载有源雷达辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题,提出了一种有源无源一体化雷达系统设计方案.该系统基于圆阵天线的外辐射源雷达可与综合脉冲孔径雷达共用天线、馈线、接收、信号处理等设备,只需融合外辐射源雷达信号处理软件及配置资源即可,不需要额外增加硬件.仿真分析表明,通过有源无源一体化雷达设计,不仅拓展了系统工作模式,而且还改善了系统可用度,提高了系统探测效能.

天线共形飞艇的盘旋飞行控制设计

天线共形飞艇携带雷达在空中抵近侦察时,在指定空域进行盘旋飞行,其盘旋飞行性能直接影响搭载的雷达性能,为实现控制飞艇在盘旋飞行时的航线位置跟踪、姿态稳定,建立了含风场特性的通用六自由度非线性模型,并利用小扰动线性化方法将运动模型线性化。在此基础上,本文针对该飞行场景设计一种外环基于自适应PID+内环线性自抗扰法的双闭环盘旋飞行控制方法,并经过实际飞行验证,证明了控制方法的有效性,给出飞艇实际空中盘旋飞行姿态波动范围,为后续天线共形飞艇搭载雷达提供设计参考。

织物增强的飞艇蒙皮强度分析测试

为研究飞艇蒙皮材料强度性能及超压承载对其剩余强度的影响,设计了蒙皮材料单轴和双轴拉伸的试件形式和实验方案,并借助于高速摄像机分析飞艇破坏情况。基于实验数据,拟合出飞艇承载气压时蒙皮单轴拉伸强度曲线、蒙皮双轴拉伸时材料的经纬向强度包络线。实验结果表明,单轴拉伸时,蒙皮的剩余强度与飞艇承载气压表现出负向相关关系;双轴拉伸时,蒙皮承载强度受经向和纬向强度综合影响。该实验分析了飞艇蒙皮的失效情况,可为其强度预报提供实验依据。

对流层飞艇总体设计及参数分析

针对对流层低空飞艇系统总体设计要求,开展对流层低空飞艇总体参数设计与分析,分析了不同总体参数对飞艇总体性能的影响,重点研究了浮力随高度的变化、不同设计因素(如氦气纯度等)下飞行高度与任务载荷能力的变化、不同高度下最大及最小速度特性变化、不同载重能力下的耗油特性、不同上升/下降过程中压力调节等需求。总体设计与参数设计方法和结论可为对流层低空飞艇系统总体设计提供理论设计思路和工程借鉴。

平流层飞艇气动特性相似缩比分析与风洞试验

阐述了平流层飞艇气动特性天地相似缩比分析设计方法,给出了刚体模型与柔性体模型完成风洞试验需满足的相似准则数,并指导完成两类缩比模型研制及风洞试验。通过对两类缩比模型风洞试验数据的分析,发现平流层飞艇不同充气内压下气动特性规律基本一致,但较刚体模型有明显的差异;柔性特征下的气动阻力系数明显高于刚体,在零攻角状态下甚至高出一倍,引发滚转气动力矩特性出现稳定与发散的本质变化。这对平流层飞艇特别是低压保形下的柔性气动特性评估,克服现有采用刚体气动特性数据或工程估算方法进行“动阻平衡”飞艇总体设计存在较大偏差的弊端,具有重要工程应用价值。

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。

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点,为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求,设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器,完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计,采用收发合置的望远镜设计方案,无探测盲区,接收视场角较小,提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准,通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数,并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中,激光器的平均功率为500 mW,积分时间为10 s,距离分辨率为100 m,分析结果表明,风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s,计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下,其风向精度优于5°。

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。

电磁脉冲弹对飞艇太阳能电池毁伤效果分析

临近空间飞艇在驻空侦察、通信中转方面蕴含的军事价值逐渐为各军事强国重视。分析电磁脉冲弹打击临近空间飞艇太阳能电池的毁伤效果。在建立毁伤区域模型的基础上,分析电磁脉冲弹在不同爆炸距离、爆炸倾角和波束角的情况下,在电池上投射的毁伤面积,并对毁伤区域内特殊点功率密度的计算,分析不同爆炸高度下的毁伤效果。得出在一定射击精度条件下,一发电磁脉冲弹,距飞艇一百多米爆炸时,就能达到毁伤效果,飞艇在短时间内丧失作战能力。

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题,将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段,建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型,该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化,为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础;考虑飞艇内部状态不能实时获取,提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法,为保证在线学习能力,采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析,阐述了控制飞艇压差的必要性;对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明,所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力,对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。

基于横流修正转捩模型的飞艇艇身减阻优化研究

艇身外形优化设计是平流层飞艇减阻的有效方法之一,艇身转捩尤其是横流转捩对于三维艇身的阻力特性有很大影响.采用SST k-ω湍流模型耦合添加了横流修正的γ-Reθ-CF转捩模型在高精度CFD软件平台上进行艇身绕流计算.首先针对标准6:1椭球体算例进行数值方法验证,结果表明γ-Reθ-CF转捩模型能够比原始模型更好地预测旋成体外形的转捩位置,对于阻力特性的描述较为准确,且能够反映不同迎角下横流效应对旋成体外形转捩的影响.在此基础上,开展了考虑横流效应的艇身外形优化研究,涉及的几何因素包括艇身长度,艇身长细比和艇身最大直径的位置.选取传统的Goodyear飞艇艇身为参考,优化后的艇身在0°迎角下的总阻力减少约40%.

基于平流层飞艇的空基伪卫星路径规划算法

几何布局对空基伪卫星导航系统至关重要,然而以往对其布局路径研究较少。为此,以基于平流层飞艇的空基伪卫星用最小能源代价获取最优导航服务效果为目标,分析了空基伪卫星几何布局对导航定位精度的影响,研究了平流层飞艇动力学模型、风场模型、能源消耗模型,阐述了基于平流层飞艇的空基伪卫星路径规划空间建立方法与路径表示方法,设计了融合导航定位精度指标和平流层飞艇能源消耗指标的路径规划代价函数,并在经典A^(*)路径规划算法基础上,构建了基于平流层飞艇的空基伪卫星路径规划算法,针对多种输入条件对算法进行了仿真验证。仿真结果表明:所提路径规划算法可以有效改善伪卫星网络几何精度因子,同时大幅降低平流层飞艇的能源消耗。

关于平流层飞艇能源系统的可靠性分析

为提高平流层飞艇能源系统的可靠性,对分布式拓扑与集中式拓扑进行对比。通过对比,找到了提高平流层飞艇能源系统可靠性的基本解决方案。结合多种因素,尤其是基于平流层飞艇的长航时飞行目标,分布式的拓扑结构具有更高的可靠性,对于实际工程中提高能源系统的可靠性具有重要指导意义。