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。      

浮升混合飞艇气动性能及总体参数分析

为了兼顾飞艇的气动性能和浮升特性,充分发挥二者的优势,并增强可控性,提出了一种基于NACA高升力翼型的组合嚢体式混合飞艇气动布局.采用计算流体力学(CFD)方法建立混合飞艇FLUENT计算模型,数值模拟了它在不同速度和迎角下的升阻特性、纵向静稳定性及浮升特性,并进行了总体性能评估,最后将其与常规飞艇进行了对比.结果表明:该组合嚢体飞艇布局具有较好的气动性能和效率,相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍;当飞行速度大于26 m/s时,混合飞艇总升力效率开始大于常规飞艇,能够提供更好的浮升特性.此外,相同设计载荷下混合飞艇的外形尺寸更小,有利于增加有效载荷,可为低空大型混合飞艇的研发提供参考.      

升力体式浮升混合飞艇设计及参数分析

升力体式浮升混合飞艇将艇体设计为具有较大升阻比的气动外形,升力由静浮力和气动力共同提供,适用于复杂地形下的大载重运输。控制速度和迎角的变化可有效控制动升力的大小,矢量推进系统的增加共同提高了飞艇的可控性,气垫着陆系统(ACLS)有效降低了地面保障系统的复杂度。多项系统的有效集成对总体设计提出较高的要求,通过重量平衡和推阻平衡的关系,对浮升混合飞艇进行了总体设计,分析了浮重比、巡航速度等参数对于总体性能的影响规律,同时研究了浮升飞艇气动性能、总体飞行性能和经济性能,为后续详细设计和有效控制方法的研究提供基础。     

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.     

平流层飞艇蒙皮材料撕裂性能分析方法

针对平流层飞艇蒙皮材料初始损伤对于其撕裂破坏的影响,分析了国内外现阶段研究柔性层压织物材料双向撕裂扩展的四种方法及对应的经验公式,通过与某平流层飞艇蒙皮材料双轴向拉伸实验得出的试验结果比较,得出各个方法的优缺点及其应用范围,并指出泰勒公式对于蒙皮材料撕裂性能的研究较为适用。同时,针对不同初始损伤切口形状的蒙皮材料进行试验值与经验公式的对比,指出不同初始损伤切口形状可等效为切断同等尺寸的经向纱线所产生的影响,并分析了蒙皮材料撕裂强度的主要影响因素,对平流层飞艇高性能蒙皮材料撕裂性能的研究提供参考。     

斜掠气梁充气翼湿模态分析与试验

参考气动弹性剪裁思想，通过将充气翼内部气梁沿展向偏转一定角度设计一种新型斜掠气梁充气翼。针对充气翼结构动力学特性研究需要对考虑周围空气影响的湿模态进行分析，在考虑空气附加质量影响和流场对于系统刚度贡献的前提下，发展了一种针对柔性充气结构湿模态快速建模分析的附加质量-刚度法。在柔性充气管算例验证了所提方法有效性的基础上，完成了对传统直梁充气翼和斜掠气梁充气翼湿模态的仿真研究，并与地面振动试验（GVT）结果进行对比分析。结果表明，3种充气翼湿模态仿真结果与试验结果均吻合较好，充气翼结构固有频率随充气内压上升而增加，同时相比于传统直梁充气翼，斜掠气梁充气翼第1阶与第2阶模态具有更低的固有频率之比，且弦向模态能够显著消除，对改善充气翼飞行器的气弹性能具有重要意义。