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平流层浮空器的热特性及其动力学效应研究

李德富  
【摘要】:平流层浮空器驻空时间长、成本低,在预警监测、导航、通信中继等领域有广泛应用前景。由于飞行原理、工作特点及热环境的特殊性,平流层浮空器热特性与航天器、高速航空器存在较大差异,涉及气流强制对流、自然对流以及热辐射的复杂耦合作用,并对浮空器的浮升特性、飞行控制以及蒙皮材料性能产生不同程度的影响。这使得热特性及其影响成为平流层浮空器多项关键技术中的共性基础问题。目前,对平流层浮空器的热特性控制机制、温度分布与变化规律及其对动力学特性的影响都缺乏必要的认识。因此,深入开展热特性及其动力学效应研究,对平流层浮空器技术发展具有重要意义。基于上述认识,本文从蒙皮材料热辐射特性、浮空器模型传热特性模拟实验、浮空器蒙皮与环境、填充气体的耦合传热特性、热动力学效应几个方面开展研究。 首先通过实验测量,获得了一种蒙皮材料的红外发射率数据;并基于半透明蒙皮材料的辐射传递特性,利用样片的表观辐射特性实验数据,采用非线性参数最小二乘法,分析获得了蒙皮材料的表面反射率和介质吸收系数。为了认识太阳辐照和气流对流同时作用下浮空器的热响应特性、获得实验验证数据,建立了一个浮空器模型的瞬态传热特性模拟实验装置,测量获得了模拟太阳辐照和不同气流条件下,浮空器模型蒙皮和内部气体的瞬态温度数据。 通过分析平流层的热环境特性与浮空器传热过程机制,建立了平流层浮空器蒙皮与外部环境、内部填充气体之间的瞬态耦合传热模型,编制了计算程序。在可靠性验证基础上,对球形浮空器升空和定点过程中的瞬态热响应特性进行了模拟计算,分析了蒙皮辐射物性和热环境因素对温度变化特性的影响。进一步,结合模拟实验认识与蒙皮外部的对流与辐射耦合热边界条件,建立了浮空器气囊内部低压气体的自然对流计算模型。通过将CFD软件与自编程序模块相结合,数值模拟了平流层热环境下,双椭球形浮空器定点飞行过程中气囊内部填充气体的自然对流昼夜变化特性,考察了蒙皮辐射物性、双气囊结构等因素的影响;获得了蒙皮与填充气体自然对流换热的局部热流、对流换热系数分布规律;根据数值模拟数据,拟合得出了局部换热系数随无量纲温度(温差)的关系式。 在对浮空器耦合传热特性研究基础上,首次分析了平流层定点飞行过程中,耦合传热引起的气囊内部非均匀温度场对质心和力矩的影响。并通过建立热动力学模型,进行数值模拟,探讨了蒙皮与来流气流温差引起的热物性变化和热驱动流对浮空器浮升力的影响。 通过研究,丰富和发展了平流层浮空器热特性研究方法,对平流层浮空器定点和升空过程中的耦合传热机制、瞬态热特性及相关因素的影响作用,获得了较深入细致的认识,积累了典型飞行条件下浮空器蒙皮与填充气体的热特性数据;获得了对耦合传热产生的热动力学效应的基本认识。研究结果可为平流层浮空器热控制、飞行动力学控制设计以及蒙皮材料研制等提供参考依据。


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