蒙皮热辐射特性对平流层浮空器氦气温度影响

分析了平流层球形超压浮空器在运行高度所受的各种环境辐射,研究浮空器处于热平衡状态时辐射传热、对流换热的作用规律,建立了浮空器的热平衡模型,分析太阳辐射、地面反照、地面辐射等环境辐照因素对浮空器全天各个时刻蒙皮材料和内部氦气平均温度影响,对比了吸收率、发射率和吸收发射比等辐射参数对浮空器热性能的影响.分析结果表明:具有低吸收发射比的蒙皮材料具有较好的热控效果;对于吸收发射比相同的蒙皮材料,具备低吸收率特性的蒙皮材料热控效果更为明显,更适用于长航时平流层超压浮空器.分析结果对浮空器蒙皮材料选择和总体设计具有指导意义.     

复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法

针对民用飞机复材蒙皮的局部振动问题，提出复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计方法，并综合考虑涂覆硬涂层对蒙皮结构的附加质量和固有特性影响，对硬涂层减振性能进行多参数优化。基于有限元法和经典层合板理论，建立复材蒙皮-硬涂层复合结构动力学方程，并以共振峰值降低量最高为目标、给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件，采用可行方向法求解获得硬涂层材料性能参数和涂层厚度参数的最佳组合结果。优化算例表明，通过合理设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合，可涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减，并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设计范围内，获得最优的减振性能。      

基于Kriging模型的浮空器氦气昼夜温差最优化

分析浮空器氦气昼夜温差时通常将整个囊体蒙皮涂层设置为同一种材料,分析材料的吸收率与发射率对氦气昼夜温差的影响。为进一步减小氦气昼夜温差,提出了将囊体分为迎光面和背光面,迎光面采用吸收率低的材料,背光面采用发射率高的材料。建立了囊体热力学模型,采用Kriging模型对囊体不同部位的材料特性进行优化,其基本思想是将囊体划分为48个部分,采用拉丁超立方体方法进行抽样,进行热力学分析得到样本的响应,以此建立Kriging近似模型。经过该方法优化后发现,氦气的昼夜温差减小到28.6 K,比传统的分析减少7.7%。      

基于地面实验的蒙皮换热器高空换热性能分析

面向未来我国大功率机载电子设备冷却需求,需要发展新型机载冷却方式,减少对传统环控制冷系统的依赖,为此研究了一种气/气蒙皮换热器用于电子设备热管理.该蒙皮换热器是一种无能耗被动换热方式,在不增加飞机代偿损失的情况下实现大功率电子设备热管理.为了考核所设计的蒙皮换热器机载飞机环境换热性能,设计加工了实验样件,在地面开展了换热性能实验研究工作,获得热边流动传热准则和对流换热系数.在此基础上推演出高空巡航状态下的蒙皮换热器换热性能,获得传热最不利安装位置和改进位置时的传热性能.研究工作预期为未来我国基于蒙皮换热器的飞机综合热管理提供设计及机载应用技术支持.     

大型碳纤维桁架结构模态试验及特性

基于随机子空间识别方法,采用自然脉动试验研究了大尺度、轻质高强承力型碳纤维复合材料桁架结构的模态特性.基于该桁架结构本身的特点,提出了3个基本假设,结合实际应用中桁架结构的约束条件,设计了大型碳纤维复合材料桁架的模态试验方案,并对试验结果进行了详细分析,总结了其频率特性、阻尼特性及振型特点.结合锤击法试验和有限元方法,对试验结果进行对比分析,结果表明3个基本假设合理,试验方案有效,试验分析结果可靠.研究结果可应用于浮空器结构设计和健康监测.      

整体壁板压弯成形等效计算模型

分析了筋条内弯型整体壁板压弯成形过程中蒙皮和筋条的弹塑性变形分布,鉴于内弯筋条发生塑性变形而蒙皮主要为弹性变形的特点,提出了一种将蒙皮部分简化为虚拟材料筋条的几何等效方法.推导了基于惯性矩的虚拟材料等效系数计算公式,给出了复杂网格筋条壁板等效模型建立过程和虚拟材料系数计算方法.进行了Ⅰ型单筋条和网格筋条壁板的有限元分析和压弯实验,对比分析了完整模型和等效模型的计算效率和精度,并用实验数据进行了验证,表明建立的压弯成形有限元等效模型精度可靠、效率数倍提高,为大型整体壁板压弯成形分析和工艺参数优化提供了基础.     

临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。     

利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

基于复合材料的高余压座舱设计

面对我国军机座舱余压偏低现象,设计高余压座舱实现高工效、舒适座舱环境.为解决座舱质量和环境工效之间的矛盾,选用复合材料代替目前铝合金材料,应用First-Order Radio优化算法实现优化.目前座舱余压40 kPa,为提高工效,余压提高到55 kPa,余压值增加37.5%,座舱质量反减轻26.1%,使得矛盾得到协调.基于描述材料特性的本构关系,建立分析材料性能参数对结构影响的有限元模型,并将灵敏度分析Morris算法引入模型参数分析中,结果表明,影响结构的主要参数是蒙皮及环向加强筋的弹性模量和泊松比.基于分析结果对材料设计提出了一些建议.所得结论可为高余压座舱设计提供参考.      

径向变体飞艇总体参数估算方法

为突破临近空间可操纵浮空器的关键技术难点,使可操纵浮空器往返地面至临近空间成为可能,提出了一种径向变体飞艇的总体参数估算方法,该方法基于阿基米德浮力定律和李式变体飞艇原理(Li-Style Transformable Airship Theory),通过艇体结构的径向变形来实现艇体截面积的自适与可控变化,控制飞艇容积变化以改变净升力大小,并使飞艇在容积变化中始终保持可操纵的气动外形,从而实现飞艇的升、降与驻空和飞行等控制.通过设计变形方案估算内气囊与外气囊尺寸,分析力学平衡与能源平衡估算飞艇长度.在拟定设计参数的基础上,给出了一种太阳能径向变体飞艇的总体设计方案,并通过设计实例验证了此方法的可行性与实用性.     

A comprehensive numerical model examining the thermal performance of airships

A novel computational model for analyzing the airship’s transient thermal performance under different environmental conditions was developed. Radiative heat transfer and natural convection inside the airship were modeled using the control volume method. The Semi-Implicit Method aiming at the Pressure-Linked Equations algorithm was adopted to solve the control equations. Such approach was able to take into account the solar irradiative heat flux, the infrared radiation at different locations, and the convection both inside and outside the airship. The simulation results, showing the detailed distributions of temperature and velocity on the envelope and inside the airship, were in good agreement with the experimental measurements. The influences of solar position and material radiative properties on temperature distribution, as well as natural convective flow inside airship, were further simulated and discussed.     

某高空飞艇光学吊舱热状态及飞行策略研究

使用光学遥感设备开展地球大气层临边观测是研究中高层大气目标特性变化规律的重要手段之一.光学遥感设备的热状态对其光学精度及系统信噪比控制至关重要，能够直接影响观测数据质量乃至观测任务的实现.针对中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪在高空飞艇平台探测的热状态需求，分析了光谱仪吊舱的热环境，给出了光学吊舱的热平衡控制方程，并对上升/下降段和平飞段先后开展了热状态计算，得到光学吊舱在不同状态下的温度变化规律、光电部件的温度场等计算结果.结果表明热控方案能够满足光谱仪的热状态需求.根据热状态分析计算结果，制定了飞行前后及飞行过程中光学吊舱的热控策略.本文分析方法和飞行策略可为同类飞行设备热控状态设计及研究提供数据参考.      

基于副气囊耦合的飞艇纵向运动影响分析

高空大型飞艇副气囊体积占比很大,甚至达90%以上,副气囊动力学对飞艇运动产生较大影响。对巡航高度为6 000 m的某大型飞艇,建立基于圆柱容器的副气囊动力学模型,进一步构建考虑副气囊的飞艇纵向耦合动力学方程,并对飞艇纵向运动进行了数值仿真,将其与不考虑副气囊时的结果进行对比。结果表明:副气囊对大型飞艇俯仰运动有较大影响,容易引起运动发散,且耦合影响随飞艇高度增大而变小,同时副气囊体积不变时,其直径越小,动力学耦合效应影响越小;副气囊效应会降低飞艇的操纵性,在进行飞艇设计时应该予以考虑。      

平流层飞艇蒙皮材料织物纤维拔出过程分析

平流层飞艇高度以及昼夜温差改变,都将引起飞艇内外压差有很大的变化.飞艇蒙皮承力层纱线拔出是其撕裂现象的细观过程,对飞艇耐压能力有着重要的影响.对某平流层飞艇蒙皮材料织物层进行细观力学建模,通过研究纱线拔出过程力的变化,并与试验结果对比,指出整个拔出过程可以分为近似线性增长阶段和振荡阶段,两阶段过渡点纱线拔出力的大小对于蒙皮材料撕裂扩展性能有着重要意义.同时,平流层紫外和臭氧等复杂环境,通过对织物纱线表面老化,降低其表面性能,从而使得最大拔出力减小,飞艇耐压能力降低.     

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在 0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果. 结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.      

基于压差梯度的平流层飞艇艇囊应力计算和仿真

平流层飞艇体积庞大,艇囊表面曲率小,因而蒙皮材料的局部应力集中极易导致飞艇艇囊蒙皮发生过大变形而迅速超压损伤破坏.基于飞艇艇囊内外压力压差梯度载荷条件,建立飞艇艇囊蒙皮受内外压差真实工况下环向与轴向应力的理论计算模型,构建飞艇蒙皮应力分析的Von Mises强度准则.并采用ABAQUS有限元软件非线性仿真艇囊蒙皮分别在超压300,500,800 Pa载荷下的各点环向的Von Mises应力状况.仿真结果与理论模型计算的应力值基本保持一致,飞艇艇囊蒙皮环向Von Mises应力呈现随压差梯度增大而递增的规律,而轴向Von Mises应力大小由环向Von Mises应力、蒙皮局部经纬向曲率共同决定,且两方向的Von Mises应力均与超压载荷大小成正相关关系,为飞艇艇囊蒙皮超压应力评估和强度计算提供基础性研究.     

基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.     

升力体式浮升混合飞艇多学科设计优化

升力体式混合飞艇是全球远距离大载重运输的重要选择,随着全球贸易的发展,逐渐成为国内外的研究热点。作为航空宇航技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器,混合飞艇设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化。为了将多学科设计优化（MDO）方法引入到混合飞艇的总体设计中,将其分解为能源子系统、气动和推进子系统以及结构和重量子系统。在子系统模型构建的基础上,提出具有自适应能力的基于响应面的并行子空间优化（CSSO-RS）算法,将重量平衡和能量平衡作为实现远距离载重运输的约束条件,并提出爬升、日间巡航、滑翔和夜间巡航的多阶段任务剖面,以充分利用太阳能电池、燃料电池和锂电池的优势,实现混合飞艇的最优化设计。优化结果表明:具有自适应能力的优化算法在精确度和计算效率上均有明显的优势,同时重量分配的结果也为混合飞艇结构轻量化设计和能源系统设计提出了更高的要求。      

Modeling and analysis of floating performances of stratospheric semi-rigid airships

In recent years, the study of semi-rigid airship has revived with the development of airships. Semi-rigid airships have some characteristics of rigid airships and non-rigid airships. Due to the flexibility of the envelope of the non-rigid airship, the variation of the temperature of the inner gas will lead to its structure deformation and affect its flight altitude. This paper develops the structural mechanics model, thermodynamic model and dynamic model of the semi-rigid airship, based on which nonlinear finite element analysis is employed for geometrically nonlinear deformation of the airship upper film in consideration of thermodynamics and structural mechanics coupling. Based on the thermal-structural interaction, the thermal characteristics and flight performances of the airship during floating flight are investigated. The 3-D solar radiation and temperature distribution of the airship skin and the temperature variation of the inner gas are presented to investigate the thermal performance of the airship, flight velocity, acceleration and flight altitude are simulated to investigate the flight performance, and the variations of the volume and pressure difference of the inner gas are calculated to provide a basis for structure design. The results of the simulation can be referenced for the design of the semi-rigid airship, and can be used for the further study on the attitude control of the airship during its floating flight.     

经编织物增强聚丙烯复合材料

采用2种不同编织形式的经编织物经过热压成型制备了连续玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合材料,并利用扫描电子显微镜对该复合材料的浸渍状态微观形貌和空隙率进行了分析.同时研究了织物结构对复合材料浸渍性能的影响,讨论了影响复合材料力学性能的因素及其变化规律,比较了2种织物的编织形式.结果表明,经编织物法是制备热塑性复合材料的可行途径;不同织物形式具有不同的浸渍性能,直接影响复合材料的力学性能.