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系留气球锚泊状态动力学仿真分析与试验研究

杨燕初  
【摘要】: 本文以中国科学院光电研究院系留气球工程为背景,针对系留气球处于锚泊状态时的动力学特性进行了仿真分析与试验研究。作为国内中大型系留气球升空平台研制工作中的一部分,论文根据任务的需要,同时针对目前国内在系留气球锚泊状态动力学仿真方面研究较为薄弱的现状,结合风洞试验,较为系统的研究了系留气球锚泊状态的动力学特性。 国内对这方面的研究较少,这也正是论文选择以此作为切入点的原因所在。具体来讲,论文主要开展了以下研究工作: (1)试验部分 对系留气球的缩比模型进行风洞试验,同时编制风洞试验数据处理程序,对试验数据进行较为详细的分析与处理。特别是抽取出动力学仿真所需使用到的试验数据,利用坐标变化矩阵进行相应的转换,再通过求解线性方程组的方法将原本给出的体轴系数据转换为对应风轴系下的数据。 (2)建模部分 对系留气球各组成部分进行三维实体建模,并装配完成整个系统。同时,结合球体外形,对求解旋成体与旋成面转动惯量的方法进行了推导,初步建立并验证使用数值方法计算系留气球几何及其它相关参数的可行性。 (3)动力学仿真部分 在三维实体模型建立完成的基础上,对相关运动副约束进行定义,与此同时,以力函数的形式对系缆模型进行简化,并将球体与气垫的接触简化为单自由度弹簧阻尼模型,在此基础上,对添加气垫与未添加气垫两类、三种模型分别进行动力学仿真分析。 通过以上研究工作,本文主要有以下结论: (1)通过风洞试验表明尾翼下反角45°变为40°,升力系数和阻力系数都有所增加,升阻比也有所提高,纵向静稳定性增强;防风罩的前后位置对升力系数影响不大,小迎角时对阻力系数有影响,防风罩在前时的阻力系数小。 (2)综合测压试验和丝线观察试验,模型前部球体及中部基本为层流,没有发生分离的现象,尾翼根部区域有漩涡气流出现。 (3)通过动力学仿真表明随着风速的增大,系留气球锚泊时的稳定性将会随之变差,但在风速较小时,有无气垫对系统的影响不大。而一旦风速增大至30m/s,将必须添加气垫作为支撑,否则将造成系统破坏。 (4)从仿真结果数据中可以看出,两种不同形状的气垫都会对系统起到保护作用,但第二种上端有一定弧度的气垫,较之第一种上端较为平整的气垫,其效果都更为明显。


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