智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

基于风场利用的智能平流层浮空器具有驻空时间长、系统构成简单、部署速度快、使用效费比高、自主能力强等优点，是临近空间飞行器发展的重要方向。针对典型基于风场利用的平流层浮空器Loon项目，通过对项目实施及实践探索的综述，深入分析其囊体材料与结构、高度调控、能源与推进、安控回收、风场建模、自主控制等关键技术特点，基于学科建模对总体参数、超热超压、气体泄漏、能源平衡、轨迹规划等方面进行仿真研究，总结了Loon智能平流层浮空器的技术特点，为基于风场利用的平流层浮空器设计与应用研究提供参考。     

平流层飞艇囊体气密层材料及氦气透过聚合物研究现状

 平流层飞艇是一种依靠主气囊充满轻于空气的气体的浮力在18～24 km高空工作的重要的低速近空间飞行器,飞艇囊体气密层材料的气体阻隔性能特别是对氦气的阻隔性能是确保平流层飞艇正常工作和延长驻空时间的关键技术。在介绍飞艇气囊工作原理的基础上,分析了平流层飞艇对囊体材料性能的要求,重点分析了对组成层压结构囊体的气密层材料的性能要求和选材依据,并对气体透过聚合物薄膜的一般过程和机理进行了阐述。详细归纳了国内外对用做浮空气体的氦气透过聚合物的研究现状,指出高阻隔气密层材料的国产化是中国发展平流层飞艇所面临的一个瓶颈问题。     

多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真

针对多囊体临近空间飞艇多要素耦合仿真及长航时能力评估的迫切需求，详细阐述了多囊体临近空间飞艇六自由度位置与姿态动力学模型、环境热力学模型、内外囊体热力学模型及囊体氦气损失模型，通过位置、时间、姿态、空速等动力学输出信息与压力成形体积、氦气质量等热力学输出信息实现平台力热动态耦合，能够全面反映飞艇在大气环境及操纵力作用下力热耦合变化规律，具备飞艇平台超热超压安全下的长航时定量评估能力。通过仿真发现，囊体内氦气在随风飘状态下最大超热达到55℃左右，为保证内外囊体白天压力安全需主动释放氦气导致飞行高度上升约100 m，夜晚囊体内压将至0 Pa无法维形保持浮力导致驻空高度快速降低，姿态振荡加剧，驻空航时仅有26.5 h，且动力全开无法获得稳定的航向飞行，空速来流降温无法最大效能发挥，需要控制系统接入实现动态闭环航路飞行，才能实现长航时飞行，具有重要的工程应用价值。     

超压气球飞行过程热特性数值研究

在分析超压气球几何外形、内外热环境和受力等情况的基础上,建立了超压气球几何、热力学和运动学模型。基于该模型,对超压气球上升-驻空过程进行了仿真模拟,得到超压气球飞行高度、内部氦气温度、氦气内外超压、气球体积以及气球飞行速度随时间的变化规律。结果表明:气球在上升过程中,氦气存在严重的"超冷"现象,而在驻空过程中,出现严重的"超热"现象。升速度曲线呈"W"型变化;中午过后,随着太阳辐射的减弱,氦气温度开始下降,但驻空高度维持不变。研究结果为超压气球的设计和研究提供了重要的依据,更好地保证气球在飞行期间的运行安全。     

平流层飞艇驻空过程中热力学特性及影响因素研究

基于平流层环境特点,分析了影响平流层飞艇热平衡的基本热源和换热途径,建立了平流层飞艇气囊冷热面以及内部氦气之间热平衡仿真模型,并在此基础上对某概念飞艇进行了仿真分析,得出了飞艇气囊冷热面以及内部氦气随时间变化规律;采用定量分析方法,重点分析了太阳辐射吸收率、红外辐射发射率以及空速等因素对氦气温度变化的影响程度及氦气温度随其变化的关系。计算结果表明,所建立的模型可较好的描述各因素对氦气温度的影响,可为平流层飞艇总体设计提供依据。     

多气囊平流层浮空器动力学建模及控制

针对多气囊平流层浮空器的建模和控制问题,建立其浮空器动力学模型并设计了一种积分变结构控制律.首先,全面分析平流层浮空器所受力和力矩,利用牛顿力学方法建立非线性动力学模型,并分析多气囊运动所带来的和普通浮空器建模之间的区别；然后,基于积分变结构控制方法设计俯仰通道姿态控制律,并应用Lyapunov函数方法证明其稳定性；最后考虑舵偏限幅和限速率以及参数拉偏,进行数字仿真,分析比较了加入积分项前后的控制效果.仿真结果表明,设计的控制律具有较强的鲁棒性,浮空器也具有良好的动态特性.     

净升力对临近空间浮空器上升航迹的影响分析

基于临近空间浮空器动力学与热力学耦合关系,研究分析上升过程飞行航迹与内部气体热性能。建立临近空间浮空器初始充气量模型、热模型和上升过程动力学模型,通过飞行试验验证了数学模型的准确性。仿真计算了某高空科学气球的上升航迹,得到了气球净升力对爆破高度、速度等飞行航迹性能参数的影响,分析了参数变化规律与变化原因。研究结果表明,随着净升力的增加,爆破高度迅速降低,而气球上升速度逐渐上升,且上升速度的增大比爆破高度的减小相对于净升力的变化更加敏感,表明气球的净升力对航迹性能参数存在重要影响。研究结果可为临近空间浮空器设计、试验和应用提供理论参考。     

小直径挤压式无扩口导管端头成形技术

对小直径挤压式无扩口导管进行原材料性能、端头成形工艺、导管气压泄漏、地面保压、机上保压等试验与分析，并使用SPSS专用软件进行数据统计分析，优化了小直径挤压式无扩口导管端头成形工艺参薮：试验工艺参数，解决了小直径挤压式无扩口导管经常温气、报废量大、机上保压时间短的问题。     

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。     

柔性飞艇主气囊湿模态分析及试验研究

大型柔性飞艇是临近空间“长驻空”重要平台,具有重要的国防及民用价值,是近年来浮空器结构工程领域研究的热点之一。主气囊是柔性飞艇核心结构部件,为了研究大型柔性飞艇主气囊周边流场对其模态性能的影响,将柔性飞艇主气囊内、外气体视为不可压缩流体,将空气随囊体振动的影响作为附加质量添加到囊体结构中,采用基于势流理论的附加质量计算方法完成主气囊在5种不同内压下的干、湿模态分析;通过模态试验测得该主气囊内压在2、4、6、8和10 kPa下的前三阶振型及频率。结果表明：干、湿模态的前3阶频率均随内压的增加而增大;同种内压下,计入囊体周围空气的附加质量后,主气囊的湿模态频率降低。     

复合热条件下椭球形封闭腔内低压气体的自然对流

以填充氦气的平流层浮空器为应用背景,对非均匀复杂热边界条件下大尺寸椭球形封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性进行了数值模拟。以Fluent软件为基础,采用用户自定义函数(UDF)自编程技术引入外部非均匀的对流-辐射耦合热边界条件,考虑了低压气体密度对压力、温度的依赖关系。分析了不同条件下腔壁与内部气体温度、对流换热特性以及流场、压力、质心变化等动力学特性,通过数据分析,获得了腔内自然对流的局部对流换热系数关联式。研究结果表明,在平流层环境下,外部非均匀热边界条件及其变化对封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性影响很大。     

蒙皮材料对浮空器热特性影响的研究

分析临近空间浮空器热特性的影响因素,并建立临近空间浮空器热特性的数学模型,采用Fortran语言编写程序,对蒙皮材料热辐射特性对浮空器热特性的影响进行了研究.结果表明,选用短波吸收率较低且长波辐射发射率较高的蒙皮材料时,氦气平均温度的昼夜差值较低,浮空器热性能越好.夜晚蒙皮温差随长波辐射发射率的增加而增加;而白天随短波辐射吸收率的增加而增加,在长波辐射发射率较大时,其对蒙皮温差的影响不大,然而长波辐射发射率比较小时,蒙皮温差会非常大,蒙皮温差的峰值出现于黎明和黄昏时段这两个时段.     

基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点,通过引入控制设计,克服轨迹控制和高度控制等方面的局限,具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力,是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析,梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术,重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状,对现有方案进行深入分析,从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

平流层浮空器的热特性与研究现状

研究平流层浮空器热状况的形成机制与特性是进行热控制设计和研究热控制技术的前提,对平流层浮空器技术的发展具有重要作用。在分析平流层对流与辐射热环境特性的基础上,运用传热学基本原理分析了浮空器热状况的复杂形成机制与影响因素。评述了浮空器热特性及其控制技术的研究现状,介绍了相关研究方法、热模型与主要结果,分析了平流层浮空器热特性研究得出的基本认识与存在的问题,指出了应进一步开展的研究方向。     

A novel inflatable rings supported design and buoyancy-weight balance deformation analysis of stratosphere airships

Owing to the unique advantages in flight altitude, dwelling time and wide coverage area,stratospheric airships provide permanent monitoring and surveillance for both civil and military applications. Here we propose a semi-rigid stratosphere airship design with circumferential highpressure inflatable rings and a longitudinal carbon fiber skeleton supported inside. We perform numerical simulations to analyze the deformation characteristics during the whole ascending and descending process. An equi...     

Change rules of a stratospheric airship's envelope shape during ascent process

Stratospheric airship is a special near-space air vehicle, and has more advantages than other air vehicles, such as long endurance, strong survival ability, excellent resolution, low cost, and so on, which make it an ideal stratospheric platform. It is of great significance to choose a rea-sonable and effective way to launch a stratospheric airship to the space for both academic research and engineering applications. In this paper, the non-forming launch way is studied and the method of differential pressure gradient is used to study the change rules of the airship's envelope shape dur-ing the ascent process. Numerical simulation results show that the head of the envelope will main-tain the inflatable shape and the envelope under the zero-pressure level will be compressed into a wide range of wrinkles during the ascent process. The airship's envelope will expand with the ascent of the airship and the position of the zero-pressure level will move downward constantly. At the same time, the envelope will gradually form a certain degree of stiffness under the action of the inner and external differential pressure. The experimental results agree well with the analytical results, which shows that the non-forming launch way is effective and reliable, and the analytical method has exactness and feasibility.     

实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展

平流层飞艇具有极高的实用价值,是国内外临近空间开发的研究热点。和中低空常规飞艇相比,由于单位体积所提供的浮力大大降低,使得平流层飞艇设计时存在艇体体积、阻力和重量之间的循环关系,飞艇结构轻量化成为平流层飞艇研发的首要课题,受到了各国研究机构的高度重视。本文对目前实现平流层飞艇结构轻量化的主要方法和技术进行了整理,给出了利用这些方法实现结构轻量化的平流层飞艇研究进展,比较了这些方法的优势和不足,并对新型的平流层展开飞艇技术进行了分析。分析结果认为改进蒙皮材料性能、改变飞艇的结构形式和利用新型的空中展开飞艇将是平流层飞艇实现结构轻量化的主要手段,新型空中展开飞艇能够有效地实现结构轻量化,具备较好的发展潜力。     

Light weight optimization of stratospheric airship envelope based on reliability analysis

A stratospheric airship is an essential flight vehicle in the aviation field. In this paper, optimal design approach of stratospheric airships is developed to optimize envelope shape considering three failure modes and multidisciplinary analysis models, and could also reduce the mass of a stratospheric airship to be deployed at a specific location. Based on a theoretical analysis, three failure modes of airships including bending wrinkling failure, hoop tearing failure and bending kink failure, are given to describe and illustrate the failure mechanism of stratospheric airships. The results show that the location, length and size of the local uniform load and the large fineness ratio are easier to lead to bending wrinkling failure and bending kink failure. The small fineness ratio and the increasing differential pressure are more prone to cause hoop tearing failure for an airship hull. The failure probability is sensitive to the wind field. From an optimization design, the reliability analysis is essential to be carried out based on the safety of the airship. The solution in this study can provide economical design recommendations.     

Double-zone model with diffusive mixing and the mass and helium discrepancies in OB-stars

A model for massive main sequence (MS) stars is proposed that quantitatively accounts for the mass and helium discrepancies in luminous OB stars. The radiative envelope of the model consists of two zones being mixed by rotationally induced turbulent diffusion during the star's evolution on the MS. The rate of the mixing in the outer zone is assumed to be substantially lower than that in the inner zone. Both, the mass and helium discrepancy, are shown to be due to helium enrichment in the envelope produced by turbulent diffusion. Some arguments to support this double-zone stellar model are given.Alexander von Humboldt Fellow