滑翔伞运动的发展：参观‘97世界杯滑翔伞比赛侧记

’９７世界杯滑翔伞比赛今年６月在河南省林州市举行。各国参赛选手使用的滑翔伞代表了当今世界滑翔伞的先进水平。国外的滑翔伞运动已得到蓬勃的发展，同时，也带动了这项运动在中国的兴起。不久的将来，这项精彩、刺激的体育娱乐项目必将在中国广泛地发展和普及。开发我国的滑翔伞制造业具有广阔的前景。     

伞衣透气性对翼伞气动特性的影响

为了提高翼伞的飞行性能,需要研究伞衣织物透气性对翼伞气动特性的影响。使用不可压雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程模拟伞衣外部流场,建立了包含附加动量源项的多孔介质域控制方程模拟伞衣,对2种透气性材料模型和无透气性影响传统模型的气动特性和流场分布进行了二维和三维定常数值模拟。数值结果表明,求解多孔介质域控制方程可以得到较准确的伞衣透气速度,伞衣表面的湍流度急剧增加;使用较大透气量材料制作伞衣时,升力系数大幅下降,阻力系数大幅上升,同时会造成内腔泄压影响翼伞的外形保持;使用微透气量材料制作伞衣时,升力系数在小迎角时小于不透气模型,在大迎角时大于不透气模型,较小的透气速度能在大迎角时延缓边界层分离。     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

平流层飞艇动力推进系统的分析与设计

针对平流层飞艇螺旋桨与直流无刷(DC)电动机匹配问题,建立了直流无刷电动机模型和螺旋桨模型;结合匹配设计和直流无刷电动机转速控制,在Simulink中设计了螺旋桨与直流无刷电动机控制系统仿真模型,研究飞艇在0~10m/s巡航速度下动力推进系统控制响应问题;采用图形用户界面(GUI)编写螺旋桨与直流无刷电动机匹配界面,开发了一种螺旋桨与直流无刷电动机匹配软件;得到了飞艇在0~10m/s巡航速度下,螺旋桨工作转速为535~1071r/min,动力推进系统工作效率为0.558~0.593时推进系统匹配设计的工作曲线,为高空螺旋桨与电动机的匹配设计提供了参考依据.      

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

超压气球驻空过程热力学特性分析

超压气球具有结构简单、载荷量大、驻空时间长等突出优点,可以应用于侦察、通信、运输补给等各个方面,实现与空天地的衔接和中继。由于飞行原理和工作环境特殊,在其设计过程中必须重点考虑热力学特性的影响。文章详细分析了临近空间热环境,包括太阳辐射、长波辐射、对流换热等。在此基础上建立了超压气球三维瞬态热力学模型,编制了仿真程序,对超压气球驻空过程进行了研究;得到了蒙皮温度、氦气温度以及气球超压等随时间的变化规律,并分析了充气量、驻空季节纬度以及蒙皮物性对氦气温度的影响。结果表明:驻空过程气球蒙皮温度分布不均匀,随太阳方位变化而变化,最大温差达65K;考虑氦气中杂质的辐射吸收作用时,白天氦气的平均温度高于蒙皮的平均温度;氦气的"超热"会引起气球的超压,在不同季节和纬度飞行时应选择不同的充气量,将超压控制在合理范围内;为减小超压量,可以选择可见光吸收率小而红外发射率大的蒙皮材料。     

利用风洞试验研究冲压翼伞的升阻特性

冲压翼伞的风洞试验是研制冲压翼伞过程中的一项重要内容。介绍了投物用冲压翼伞风洞试验的特点及发展,着重讨论了这类冲压翼伞的升阻特性,通过理论计算与试验结果的比较,分析了柔翼与刚性翼之间的差异,得出了升阻比最佳点,同时,还分析了冲压翼伞各部分阻力的构成情况,提出了减少阻力的主要措施。     

基于索膜有限元模型的翼伞气动变形仿真

对定常状况下翼伞的流固耦合变形问题进行了三维数值模拟。使用有限体积法计算了飞行时的气动载荷,分析了前缘切口和翼肋开孔对压强分布的影响;基于翼伞结构大位移小应变的特点建立了非线性索膜有限元模型,伞衣由不能承受弯矩的膜单元模拟,伞绳和切口加强带由只能单向拉伸受力的索单元模拟,仿真了受气动载荷后翼伞相对于理想设计位置的变形和应力分布。结果表明:该翼伞展长相对于设计值减小,"鼓包"形成后翼型最大厚度增大,伞衣变形后产生了额外的后掠角和攻角;最大等效应力主要集中在翼肋上的开孔和伞绳连接点处,需合理布置加强带以满足强度要求。     

翼伞系统十五自由度动力学建模与仿真

动力学建模是飞行器设计的基础,翼伞作为一种新型的柔性飞行器,在动力学建模方面已经有了较多研究,但仍存在诸多不足。当前翼伞的动力学模型主要有六自由度模型与九自由度模型。六自由度模型将翼伞与载荷当做一个刚体,两体之间采用固定连接;九自由度模型在六自由度模型的基础上考虑了翼伞与载荷间的相对运动,将翼伞与载荷当做两个刚体,两体之间采用铰连接。两种动力学模型都没有体现出翼伞的柔性,与真实的翼伞存在较大差距。文章载荷-翼伞多体飞行系统为研究对象,假定伞绳和吊带分别通过铰链与翼伞和载荷相连接,考虑了伞绳和吊带具有的弹性,伞绳的相交点与伞衣具备相对运动,载荷舱与翼伞除相对转动外还考虑到其相对平移,建立了翼伞十五自由度模型。施加翼伞后缘下偏并仿真计算翼伞转弯运动情况,并与九自由度模型的计算结果进行对比。结果表明,相对于九自由度模型,翼伞十五自由度能够更加真实全面地反映了翼伞的运动情况,除了翼伞的总体运动以外,还能够反映吊带、伞绳相交点的运动。     

滑翔伞运动的发展——参观’97世界杯滑翔伞比赛侧记

’97世界杯滑翔伞比赛今年6月在河南省林州市举行。各国参赛选手使用的滑翔伞代表了当今世界滑翔伞的先进水平。国外的滑翔伞运动已得到蓬勃的发展,同时,也带动了这项运动在中国的兴起。不久的将来,这项精彩、刺激的体育娱乐项目必将在中国广泛地发展和普及。开发我国的滑翔伞制造业具有广阔的前景。