2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究

2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层N_mF₂, h_mF₂和110～750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数N_mF₂, h_mF₂和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.      

平流层螺旋桨等离子体流动控制地面实验方法

根据螺旋桨雷诺相似准则和等离子体射流相似准则,提出了一种基于螺旋桨叶素理论,利用地面实验设备开展平流层螺旋桨等离子体流动控制研究的实验方法。首先根据螺旋桨几何参数和运动参数计算叶素微段来流速度和迎角,然后根据螺旋桨雷诺相似准则确定常压翼型风洞模拟平流层叶素流动的吹风参数,最后根据等离子体射流雷诺相似准则,确定激励器和激励电源参数模拟平流层等离子体射流并评估其流动控制效果。利用该方法研究了20km 高度 S1223翼型螺旋桨的等离子体流动控制效果,实验表明:飞艇以5~20m/s 的速度前进时,SD-BD 激励电压峰-峰值13.6kV,频率10kHz 时,诱导的等离子体射流使螺旋桨300r/min 时推力最大可提高10.9%,600r/min 时推力反而减小了0.52%~1.7%。     

基于NURBS和梯度法的飞艇形状优化

采用非一致有理样条曲线(NURBS)作为飞艇外形参数化方法、基于梯度的优化方法、飞艇体积作为约束条件、飞艇的阻力系数作为目标函数的优化流程对平流层流动条件下的飞艇外形进行了优化.阻力系数通过求解二维黏性不可压缩流场获得,阻力不但包含了形状阻力也包括了黏性阻力.优化过程以LOTTE飞艇的形状为初始形状,优化的结果表明优化后飞艇的气动性能明显改善,阻力系数有了比较明显的降低.优化的结果也同时证明了该方法适用于飞艇的优化命题.      

太阳电池在平流层中的工作性能分析

近年来,临近空间受到广泛关注,多种平流层飞行器被提出,它们大多以太阳电池为 主要的能源获取装置。研究平流层的太阳电池的性能,对平流层的开发和利用具有重要意义 。首先建立了平流层中太阳电池的热环境模型,并结合硅太阳电池的电学模型,得到了 平流层中硅太阳电池的热电耦合分析模型,进而用数值模拟方法对太阳能电池的热学、电学 性能进行了分析和讨论。研究结果表明,平流层热环境的变化对太阳能电池的温度、输出功 率以及电效率都有影响。讨论了风速对太阳电池性能的影响,结果表明随着风速的增 加,太阳电池温度降低、内部温差先增加后减小、发电效率和输出功率都增加。
     

平流层浮空器保压指标对驻空性能的影响

地面保压试验是综合评估囊体材料性能的重要手段,其设计指标将影响平流层浮空器总体驻空高度与时间的变化范围。以球形超压平流层浮空器为例,建立了驻空高度运动学模型、热力学模型及基于微孔损伤的氦气渗透模型,综合考虑驻空过程中力、热耦合引起的浮空器内部氦气压力、温度和质量等的实时变化,以囊体材料微孔当量直径为桥梁建立了平流层浮空器地面保压指标与驻空高度、驻空时间的耦合关系,通过定量分析不同保压指标下浮空器驻空性能的变化情况,提取影响规律,为保压指标的合理设计提供总体参考。     

平流层飞艇环境适应性评价模型

阐述了平流层特别是20km高度左右平流层的环境特点,分析了各种环境因素对长期在此空域中驻留飞行的平流层飞艇性能的影响,在此基础上,建立了平流层飞艇环境适应性评价指标体系。并针对其各评价指标的物理意义不同且数量级相差较大的特点提出了基于物理规划和层次分析法相结合的综合评价模型。算例和分析结论表明:抗风速度余量和产生消耗能量比在平流层飞艇对其飞行环境的适应能力评价中占有重要比重,应成为飞艇总体方案设计和论证时的重点关注指标。     

平流层飞艇大迎角气动特性分析

为了获得大迎角下的平流层飞艇的气动特性,基于N-S方程及k-ωSST湍流模型,对某平流层飞艇的大迎角气动特性进行数值模拟分析.结果表明：平流层飞艇的大迎角失速特性及力矩特性与飞机具有较大的区别,飞艇的失速迎角较大（45°左右）;俯仰力矩特性在失速前呈现完全不同的两种趋势,小迎角范围内其静不稳定,迎角增加到一定程度后变为静稳定且维持该状态直至失速.研究结果对平流层飞艇的大迎角操稳设计、飞控设计具有重要的参考意义.     

平流层飞艇热力学验证温度测量方法研究

平流层飞艇的热力学分析是平流层飞艇关键技术之一。针对热力学分析的工程验证及模型完善,提出了适合于平流层飞艇的艇囊内气体及囊体表面的温度测量方法,包括采集点的分布,传感器的选型,数据传输和处理及数据准确性评价等。经过两次平流层飞艇的缩比飞行试验,对比同艇发放的探空仪采集的温度数据,验证了该方法测量到的数据的准确性。     

加强演示验证试验，推进平流层飞艇研制

平流层飞艇在军事和经济建设方面应用价值很高,世界不少国家都在积极开展该领域的技术攻关和研究。在研制过程中,试验艇的验证环节十分重要。本文介绍了国外发达国家平流层飞艇的研制计划,以及中航工业特种飞行器研究所平流层飞艇研制计划和平流层飞艇试验艇的研制情况。     

利用WACCM-3模式对平流层动力、热力场及微量化学成分季节变化的数值模拟研究

利用美国NCAR最新的化学-气候耦合模式WACCM-3对平流层风场、温度场以及平流层臭氧等多种微量气体成分(O3, CH4, N2O, H2O, HCl, HNO3)的季节变化进行了数值模拟, 并使用ECMWF再分析资料与美国UARS卫星 搭载的HALOE, MLS, CLAES等探测器的观测资料, 对模式输出的动力、热力及化学成分浓度的气候平均值进行了验证. 结果表明, 在气候平均海表温度值驱动下, WACCM-3模式能够很好地再现ECMWF资料中平流层纬向平均风场与温度场的季节变化. 模拟结果中平流层化学成分的经向-垂直分布及其季节变化与卫星观测结果基本一致. 模式的动力、热力场在极地平流层以及热带对流层顶等区域存在一定的偏差. 这些偏差对于微量气体成分分布 的模拟具有一定影响, 特别是南半球冬(7月)、春(10月)季节南极平流层低层极夜 急流偏强, 造成极地地区附近的输送障碍增强, 从而导致CH4, N2O, H2O浓度比观测偏低. 此外, WACCM-3缺少热带平流层风场的准两年振荡(QBO) 机制, 这对于热带平流层东风急流以及低纬度平流层O3, CH4, N2O, H2O等成分经向输送的模拟结果也有一定影响.