基于B样条的平流层飞艇外形优化设计

为改善飞艇气动性能,提高推进系统的效率,增加飞艇承受有效负载的能力并延长其运行时间,将飞艇艇体气动阻力和艇体表面积两个主要因素引入到平流层飞艇外形优化设计中,建立了复合目标函数,在飞艇体积不变的前提下,采用EXTREM数值优化算法,对平流层飞艇外形基于B样条曲线参数化方法在体积和长度不变的限制条件下,进行了双目标优化设计,优化后,外形的气动阻力减小了7.12%,同时飞艇艇体表面积也减少了1.76%。文章的研究结果实现了减阻和减重的双重目标,证明了该方法是合理可行的,可为平流层飞艇总体设计提供相关参考。     

平流层飞艇热力学模型和上升过程仿真分析

建立了平流层飞艇的热力学控制模型,并采用该模型对飞艇的上升过程进行了仿真分析。分析表明,飞艇上升过程中的热力学和动态传热过程对飞艇的浮力和飞行控制有重要影响;飞艇上升过程中,为保持艇内外压差,需维持较大的空气出流量,艇内气体随外界压力降低膨胀做功,飞艇会处于较大的超冷状态,飞艇与外界大气的对流换热和日照条件下吸收太阳热辐射能量,可减轻飞艇的超冷状态;飞艇上升速率越快,艇内外气体温差越大,飞艇超冷状态越严重,净静升力降低越大。     

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。     

半硬式与软式平流层飞艇结构静力性能比较

平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器,可以在海拔20km的高度驻空工作几个月甚至几年,用于对地观测和通讯具有重大的政治和军事意义。平流层飞艇按照结构形式可分为软式和半硬式两种。分别选取了一种半硬式和软式平流层飞艇的结构体系布局方案。基于浮力与重力作用下平衡形态的原理,应用ANSYS有限元软件,建立了具有相同结构尺寸和结构质量的半硬式和软式平流层飞艇的结构模型,在相同的载荷和约束条件下比较了两艘艇结构的力学性能。通过计算分析,在受到外载荷的作用时,相比较于只由蒙皮构成的软式艇结构,内部具有刚性龙骨的半硬式结构设计,可以更好的协调整艇的结构变形,改善蒙皮的应力分布和保持蒙皮双向受拉的工作状态,有效地避免蒙皮出现单向受拉或褶皱等失效状态。所以,半硬式艇结构比软式艇结构更适合作为平流层飞艇的结构形式。文章研究结果可为平流层飞艇结构方案的选择提供参考。     

太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析

研究太阳电池对平流层飞艇驻空阶段热特性的影响。建立了太阳电池热模型、平流层飞艇热分析模型，包括热平衡方程、太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、蒙皮长波辐射、对流换热等；采用多节点模型，对平流层飞艇在驻空期间太阳电池、蒙皮与艇内氦气温度变化过程进行了数值模拟，得到了温度昼夜变化规律；分析了太阳电池（含隔热结构）的等效面积热阻、转换效率、铺装面积对平流层飞艇热特性的影响，得到了其温度昼夜变化规律。本文为平流层飞艇热性能分析和热控系统设计提供依据。     

平流层飞艇流固耦合分析方法研究

平流层飞艇为了在平流层环境下获得足够的浮力,要求其体积庞大,由于跨度较大的充气柔性气囊结构容易发生变形,使得流固耦合特性非常显著。针对该类飞行器的流固耦合方法的研究是对其流固耦合特性分析的首要条件。本文基于流体动力学计算软件FLUENT和结构动力学分析软件ABAQUS,形成了分析平流层飞艇这类大型柔性充气结构流固耦合特性的非线性动态流体－结构交错积分耦合法。通过充气的圆球薄膜的解析解和NACA65A006机翼颤振特性的实验结果与计算结果的比较对该方法的有效性进行了分析。这为平流层飞艇流固耦合问题的研究提供了一种有效的分析工具,并对某平流层飞艇的突风干扰响应特性进行了分析,得出其流固耦合特性的变化规律。     

平流层飞艇艇身外形研究

为了完成特定的任务,平流层飞艇需要克服风场保持长期定点,因此要求其阻力最小。飞艇总阻力中艇身阻力占60-70%,因此对飞艇而言,针对艇身外形进行研究得到阻力小而且实际可用的外形是非常重要。本文采用势流-边界层耦合方法与混合遗传算法对平流层飞艇艇身的外形进行了优化。外部势流采用在艇身表面分布点源的Hess\|Smith面元法求解,边界层计算采用积分边界层方法,阻力系数采用
Squire\|Young方法计算得到。最优外形通过由遗传算法和Nelder\|Mead单纯形法组成的混合遗传算法优化得到。通过优化分析得到了一种实际可用的优化外形,具有在湍流和层流两种流态下阻力系数都比较小的优点。     

飞艇气囊压力与蒙皮张力的估算

平流层飞艇的研制开发近年来成了世界各国的研究热点,由于平流层飞艇的滞空高度高,在上升和下降时飞艇气囊的体积和压力变化动态范围很大,其气囊的设计与低空飞艇有很大的不同。为了给飞艇的气囊结构设计、强度设计提供依据,采用微元受力分析的方法,对气囊蒙皮内张力的进行了分析,得出了飞艇气囊内外压差、曲率半径、气囊蒙皮内张力的关系。该关系还可以应用于各种充气囊体的张力分析,并利用此关系对飞艇的蒙皮张力进行了计算。     

平流层飞艇艇务管理任务分析

针对平流层飞艇的特点,文章分析艇务管理的主要任务,并对艇务管理的任务特点探讨了艇务管理系统在设计时可采用的各种技术,为开展平流层飞艇的研制提供设计思路。     

平流层飞艇艇务管理任务分析

针对平流层飞艇的特点，文章分析艇务管理的主要任务，并对艇务管理的任务特点探讨了艇务管理系统在设计时可采用的各种技术，为开展平流层飞艇的研制提供设计思路。     

临近空间伞张式飞艇气囊结构原理性研究

针对常规布局临近空间飞艇存在的超压控制系统重量大、能耗高等问题,通过借鉴南瓜型高空长航时气球的工作原理,提出了一种新型的省却了副气囊和超压控制系统的临近空间伞张式飞艇概念,该飞艇主要由一种能随气囊内外压差变化实现自主变形的伞张式气囊组成。针对伞张式气囊,通过开展气囊结构概念设计、气囊原理样件研制和地面原理试验研究,验证了伞张式飞艇气囊结构原理的可行性。研究结果表明,临近空间伞张式飞艇气囊结构原理上基本可行。     

临近空间再生燃料电池储能系统散热风扇性能

针对平流层飞艇再生燃料电池储能系统的风冷散热组件,采用Fluent计算散热风扇在设计飞行高度不同转速条件下的风压、流量、静压效率等性能参数。进而针对海拔0~20km高度的环境温度和压力变化,计算20kW散热能力条件下散热组件风量需求及其对应风扇转速、功耗等变化趋势。在此基础上,进行散热组件不同海拔高度环境下的性能试验,风扇模型计算结果和试验数据吻合较好。结果表明风冷散热组件能够满足再生燃料电池储能系统在包括起飞、高空驻留和降落在内的整个任务周期的散热要求。     

电爆阀启动过程的响应特性与活塞撞击变形分析

对航天飞行器上的高压常闭式电爆阀启动过程的动态响应特性进行仿真,并通过试验验证两者基本吻合。在此基础上,对电爆阀启动过程活塞撞击变形情况进行分析。采用Abaqus软件对活塞与壳体碰撞行为进行显式非线性动态分析,研究了电爆管、材料性能以及电爆阀出口压力条件对活塞撞击变形量的影响。结果表明,电爆阀出口压力条件对活塞与壳体撞击变形量影响最大,出口压力增大对应变形量急剧减小,电爆阀工作的可靠性随之降低。     

叶轮盖板侧的流动对离心泵泄漏量的影响

利用动量矩定理,建立了叶轮盖板中流体旋转角速度的一阶微分方程,得到了计算离心泵泄漏量的方法.为了获得泄漏量,需要进行迭代求解.从该微分方程出发,可得到容积效率、轴向力等参数.试验研究表明,用此公式计算的理论泄漏量和试验值之间的相对误差在7%～10%以内,验证了该方法的合理性和正确性.     

低空大动压级间分离碰撞边界预示方法

以低空大动压级间分离过程为研究对象,基于组合优化策略,研究多种偏差耦合干扰下分离碰撞危险包络优化分析方法。确定分离过程仿真优化的具体流程,并建立低空大干扰条件下级间分离过程动力学模型和仿真模型,最后通过算例对比分析校验模型的合理性与仿真方法的有效性。研究结果表明,通过组合优化策略可快速有效实现对随机偏差耦合干扰下低空大动压分离过程的碰撞危险包络进行定量预示,并为分离系统偏差量控制提供依据。     

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。     

燃气调压阀内流场三维数值模拟

采用有限体积法对燃气阀内流场进行三维冷气模拟和燃气模拟,并用冷气试验验证,表述了所研究阀门内流场的特点,得到入口压力与阀芯受力之间的线性关系;比较了3个不同弹性系数的弹性元件的入口压力与阀门质量流量,得到入口压力与阀门质量流量之间的二次曲线关系,小的弹性系数和低燃气温度使调压阀调压能力增强;分析了燃气模拟的结果,并与冷气模拟的结果进行了对比,提出对阀芯和阀座进行重点热防护的建议。     

卫星气体工质剩余量高精度显式计算方法

为获取卫星气体工质在高压下的剩余量,研究气体密度的不同算法,结果显示:基于理想气体状态方程的密度计算在高压下存在误差;Redliche-Kwong（RK）方程对氮气密度的计算与NIST数据库查询结果最为接近。为在判读卫星实时遥测数据期间快速获取气体工质剩余量,基于数学拟合公式提出一种气体工质剩余量的显式计算方法,并采用气瓶容积随压力变化的线性模型对气瓶膨胀的影响进行修正。地面试验结果表明,该显式计算方法与实际测试结果符合良好,气瓶随压力的膨胀量呈线性变化,气瓶容积修正能够有效减小计算结果的误差。该方法针对某卫星冷气推进系统的计算结果显示,计算剩余量的不确定度为180 g,相对不确定度为0.62%。