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.     

Deformation behavior of non-rigid airships in wind tunnel tests

Deformation behavior of non-rigid airships in wind tunnel tests is studied by considering three factors, including internal pressure, flow velocity and angle of attack. Fiber Bragg grating strain sensors are used to measure the deformation of non-rigid airships. Wind tunnel tests in the case of different flow velocities and angles of attack are conducted. The measurement results reveal that the airship deformation is in proportion to internal pressure. For the tensile region,the airship deformation is in proportion to flow velocity. Effects of angle of attack on structural deformation are more complicated and there is no clear relationship existing between airship deformation and angle of attack.     

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.      

高雷诺数二维充气机翼构形的气动特性

针对基于二维充气机翼的构形特征进行高雷诺数条件下的气动特性分析.首先通过对二维充气机翼构形特征的设计,建立了描述逼近程度的误差参数和若干模型;进一步运用数值方法,通过与标准翼型的对比,分析充气机翼的气动性能及其误差参数的敏感性.数值结果表明:在高雷诺数条件下,充气机翼的气动性能相对于标准翼型有所降低.同时,结合对流场特征的分析,从机理上解释二维充气机翼与标准翼型气动性能差异形成的原因,即导致总的阻力系数明显增加的主要原因是其凹凸起伏的表面对充气机翼表面压力分布所引起的变化,局部压力升高从而大幅增加了压差阻力.      

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.     

单项技术指标对临近空间浮空器总体尺度的影响

 为了控制浮空器的尺度、降低其技术难度和成本,需要明确其瓶颈性技术领域及参数指标。在一定假设下,给出了一套给定参数估算常规飞艇形式浮空器总体几何尺度的计算流程。基于这一流程,以一组普通产品技术指标为基础,分别提升其中每一项后估算得到不同技术指标配置方案下浮空器的总体尺度。通过分析这些计算结果,得到了单项技术指标对飞艇形式临近空间浮空器总体尺度的影响规律。     

充气机翼承载能力和气动特性分析

应用结构力学和材料力学的相关理论分析了一种充气机翼的承载能力,基于充气机翼特性和工程要求分析,确定了充气机翼失效的条件,建立了充气机翼弯曲变形的力学模型,并通过试验验证了该模型的合理性;然后,利用FLUENT 6.3对该种充气机翼翼型进行了气动特性仿真分析,并与相应的标准翼型进行了对比.最后,将三维充气机翼的气动载荷仿真数据导入Patran,对充气机翼在飞行状态下的应力和变形进行了有限元分析.      

可伸缩式转移居住舱结构方案的探讨

描述了一种新型的可伸缩式居住舱－可充气式转移居住舱（TransHab)。该项目可用于星际间的转移居住舱，也可装配到空间站上。发射时，所有要用到的仪器设备提前装入舱内，整个舱体呈收缩状态装入航天飞机的货舱内，待入轨后，舱体像气球一样充气展开。展开后舱体的容积大，而质量却轻得多。本文着重讨论了这种可充气转移居住舱的基本结构形式，并与其他几种美国先前研制的可伸缩结构进行了比较。提出了该种类型结构形式的技术难点，发展前景，以及我国进行该种结构研究的必要性。     

多腔室复合材料结构件的气囊整体成型研究

通过复合材料典型结构件的气囊成型工艺试验及其工艺效果的评估，论证了多腔宣复杂结构件采用多气囊整体成型技术的可行性，并对共固化时多个气囊内压的调控进行了论述。固化时，应根据不同气囊容积的大小，合理调控气囊的内压，是控制制件规整度的关键。研究表明，多气囊整体成型工艺切实可行，成本较低，并且工艺效果也比较理想。     

飞艇吊舱隐身特性研究

吊舱的雷达散射特性决定了飞艇的隐身性能。为得到最优的设计方案,需要综合计算各种方案吊舱的雷达散射截面值。本文提出了采用多截面曲面对飞艇吊舱数字化建模的原理和通过形状因子描述吊舱脊线的方法,推导出利用物理光学法估算吊舱雷达散射截面的公式并总结了程序流程。通过典型吊舱分析了飞艇的隐身性能,结果表明：采用形状因子对吊舱的数字...     

负游隙对高速高温薄壁圆柱滚子轴承动态性能的影响分析

计算了圆柱滚子轴承径向游隙为负值时的等效径向预紧载荷,并考虑等效径向预紧载荷下的套圈弹性变形,通过求解包含套圈弹性变形接触变形等效径向预紧载荷的非线性方程组,得到负游隙圆柱滚子轴承内部的载荷分布情况,以及负径向游隙带来的套圈周向应力.以此分析了负游隙对轴承承载性能及疲劳寿命的影响.结果表明:负径向游隙能够有效降低轴承打滑率,但同时也会降低轴承疲劳寿命,因此在负游隙设计时需同时考虑打滑率和轴承寿命,选择恰当的负游隙.     

基于充气结构的非常规飞艇设计

研究充气结构在飞艇设计、制造和操控方面的用途,提出一种由受压变硬的空心管组成的充气结构,其安装在飞艇囊体上,使得飞艇结构变得更坚固。这种设计创新可以降低结构质量,也可提高非常规飞艇的动力和机械性能。同时,由于这些充气结构的简易性,制造和操作过程中面临的难题将会大大减少。     

基于响应面法的某双体飞艇囊体气动外形优化

为了进一步减小阻力,提高整个飞艇的气动性能,针对某双体飞艇囊体的长宽比、宽厚比和最大截面位置三个主要外形参数,采用试验设计和响应面法相结合的方法进行了囊体气动外形优化设计,以CFD数值计算技术的结果为基础,共进行了15次试验。优化前,囊体零升阻力系数为0.029 8;优化后,其零升阻力系数为0.027 4,减小了8.76%,巡航状态升阻比增加了5.25%,整个飞艇的气动性能得以较大改善,也证实了优化模型的有效性。研究表明:基于Box-Behnken设计和响应面法的双体飞艇囊体气动外形优化设计方法,不但考虑了外形参数之间的交互作用,而且计算量相对较小,计算结果的精度和可靠度较高,可以快速准确地优选出囊体外形参数的最优组合,具备一定的工程实用价值。     

特殊形状橡胶密封圈的性能分析

采用非线性有限元法对特殊截面形状的橡胶密封圈进行了分析.通过轴对称有限元分析模型, 分析了其在矩形沟槽内装配压缩过程中的变形和应力变化, 以及应力的分布情况, 同时还对承受单侧压力的密封情况进行了研究.对于密封圈的抗扭转特性以及在特殊压力负载情况下的密封特性也进行了模拟并且和普通O形圈进行了对比.结果表明, 所采用的方法能够预测特殊形状的密封圈在压缩中的变形和应力等特征参数, 加深了对其密封性能的了解, 并对同类密封结构设计有一定的指导意义.      

飞艇续航时间论证方法研究

由于飞艇续航时间受飞行速度、重力浮力配平方式、载油量变化、风场条件等多种因素的影响,飞机续航时间计算方法并不适用于飞艇,因此提出了一种新的基于试验设计和统计分析方法的飞艇续航时间论证方法。分析了工作高度的风场速度分布规律,分别给出完全靠发动机推力矢量平衡和完全靠动升力平衡两种不同情况下飞艇续航时间计算方法,以某大型对流层飞艇为研究对象,计算了初始方案在不同平均巡航速度、配平重量和配平方式下的平均燃油消耗率和最大续航时间,对经过减阻、减重、减少耗油率等技术改进后优化方案能达到的续航时间和概率进行了分析和论证。研究表明,某飞艇初始方案在使用区域风场条件下基本能满足留空时间72h的指标要求,经技术改进后,指标仍有较大的提升的空间。方法考虑了飞艇续航时间的多种影响因素、取值变化和交互影响,比较适宜在飞艇这类涉及重浮力配平和任务耗油率变化的浮空器上使用。     

飞艇骨架结构动态损伤识别方法

针对飞艇骨架结构中损伤引起的模态跃迁现象导致无法通过匹配损伤前后动态特性参数变化来识别损伤的难题,给出3种只基于损伤后振动响应信息进行损伤识别的动态方法。通过模态分析方法获得结构的模态参数,分别推导模态振型曲率法、均布载荷面曲率法和虚拟轴向应变法等3种损伤识别算法。定义损伤指标,并根据损伤指标局部峰值来识别和定位损伤杆件。以半硬式飞艇常见狭长构型三角截面碳纤维复合材料桁架为例,结合有限元法和自编MATLAB程序进行损伤识别仿真研究,影响参数包括损伤类型、损伤位置、损伤程度和噪声量级等,最后对损伤识别算法的有效性进行试验验证。结果表明新损伤识别方法对损伤敏感,在环境噪声工况下能准确识别和定位单个和多个损伤杆件。文中方法均基于结构整体振动信息进行损伤杆件识别,将来可用于构造飞艇骨架实时结构健康监测系统。     

临近空间飞艇全数字仿真设计与实现

全数字仿真在临近空间飞艇研制过程中起着重作用。本文以临近空间飞艇为研究目标,首先分析飞艇的受力情况,将体积中心作为艇体坐标系原点建立飞艇动力学方程和运动学方程。综合起飞、降落和巡航中的风场特点,建立可变的风场模型。利用Matlab／simulink软件搭建仿真模型,实现飞艇全数字仿真。最后对仿真结果进行了简分析。     

Effect of Martian atmosphere on aerodynamic performance of supersonic parachute two-body systems

Supersonic flows around parachute two-body systems are numerically investigated by solving the compressible Navier-Stokes equations. In the present study, both rigid and flexible parachute models are considered, which comprise a capsule and a canopy. The objective of the present study is to investigate the effects of the Martian atmosphere on the unsteady flows produced by these parachute two-body models and the structural behavior of the flexible canopy. It was found that in the Martian atmosph...     

叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响

使用基于流固耦合算法的叶片反扭程序,考虑了非定常气动力对叶片变形的非线性作用,研究了叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响.以冷态叶型为起点,先计算离心力作用下的叶片变形,在此基础上使用流固耦合程序获得非定常气动力作用下的变形.考察了3个转速下叶片的动态变形对大涵道比风扇气动性能的影响.结果表明:在跨声速工况下,叶片表面激波位置的变化对叶片反扭角有很大作用,在考察的转速范围内,堵塞点使用设计叶型计算的流量大于动态叶型下的流量,数值达7%,将导致发动机起飞推力小于预测值.结果表明在大涵道比风扇设计阶段,预测气动性能使用准确叶型的重要性.