利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

基于褶皱的平流层浮空器升空结构形变模拟

平流层浮空器囊体材料具有非线性、黏弹性、各向异性和不能抗压等特点,起皱现象是在升空膨胀过程中必然会出现的形变状态,褶皱的扩展会影响整个囊体结构的受力状态,改变囊体变形和应力分布.同时,褶皱的存在还会影响囊体结构的动力学行为和空间环境下的热力学分布.通过主应力-主应变相结合准则对褶皱区域进行判别,采用修正褶皱单元的本构矩阵方程的方法对褶皱区域进行处理,地面充氦气试验证明了新方法的模拟结果更加接近测试值.从而为平流层浮空器设计提供了一种有效的分析方法.     

基于Kriging模型的浮空器氦气昼夜温差最优化

分析浮空器氦气昼夜温差时通常将整个囊体蒙皮涂层设置为同一种材料,分析材料的吸收率与发射率对氦气昼夜温差的影响。为进一步减小氦气昼夜温差,提出了将囊体分为迎光面和背光面,迎光面采用吸收率低的材料,背光面采用发射率高的材料。建立了囊体热力学模型,采用Kriging模型对囊体不同部位的材料特性进行优化,其基本思想是将囊体划分为48个部分,采用拉丁超立方体方法进行抽样,进行热力学分析得到样本的响应,以此建立Kriging近似模型。经过该方法优化后发现,氦气的昼夜温差减小到28.6 K,比传统的分析减少7.7%。      

高空浮空器蒙皮材料特性分析与组合优化

建立了高空浮空器蒙皮材料特性分析与组合优化方法,重点研究了蒙皮材料功能涂层热学特性与承力层力学特性之间的耦合作用关系,基于特定工况进行蒙皮材料分析优化,获得了基于Vectran平编承力层和镀铝PET薄膜功能涂层的高空浮空器蒙皮材料优化方案,并通过高空飞行试验验证蒙皮材料优化方案的可行性.结果表明,采用该方法获得的蒙皮材料优选方案合理,为浮空器耐压和高空长时间驻留设计提供了技术支持.      

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型，提出一种基于深度Q网络（DQN）算法的平流层浮空器高度控制方法，以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态，副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作，平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程，兼顾随机风场扰动与速度变化约束，实现稳定的变高度控制。仿真结果表明：考虑风场环境对浮空器影响下，DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制，最大稳态误差约为10 m，与传统比例积分微分（PID）控制器对比，其控制效果和鲁棒性更优。     

AIT环境对卫星热控白漆性能影响的试验

热控白漆喷涂之后至卫星发射之前需要经过数个月的部件组装和测试（AIT）阶段,AIT环境是否影响热控白漆的性能是一个疑问。将与卫星天线相同热控ACR-1白漆的试验膜放置在AIT环境中,对其吸收率和发射率进行了六次测量。通过测量数据,对比分析了AIT过程中温度、湿度、洁净度等环境因素对热控白漆性能的影响程度。结果表明,在试验周期内,ACR-1白漆的吸收率和发射率变化量不大,对白漆性能可靠性的影响度不明显;洁净度对ACR-1白漆的吸收率影响较大。因此,在AIT阶段卫星环境应保持较高的洁净度。     

基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制

平流层风场环境对浮空器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,以长沙地区2005—2010年的风场数据为例,首先采用本征正交分解（POD）方法对风场数据进行降阶处理;然后分别采用Fourier级数与BP神经网络算法对平流层风场进行预测,并对2种模型的预测精度进行比较分析;最后通过建立临近空间浮空器的动力学模型和高度调控模型,分析2种风场预测模型对浮空器轨迹控制的影响。研究结果表明,相对于Fourier预测模型,基于BP神经网络预测模型的预测精度更高,可信度更强,能够更好地为浮空器飞行轨迹控制提供参考价值。      

基于压差梯度的平流层飞艇艇囊应力计算和仿真

平流层飞艇体积庞大,艇囊表面曲率小,因而蒙皮材料的局部应力集中极易导致飞艇艇囊蒙皮发生过大变形而迅速超压损伤破坏.基于飞艇艇囊内外压力压差梯度载荷条件,建立飞艇艇囊蒙皮受内外压差真实工况下环向与轴向应力的理论计算模型,构建飞艇蒙皮应力分析的Von Mises强度准则.并采用ABAQUS有限元软件非线性仿真艇囊蒙皮分别在超压300,500,800 Pa载荷下的各点环向的Von Mises应力状况.仿真结果与理论模型计算的应力值基本保持一致,飞艇艇囊蒙皮环向Von Mises应力呈现随压差梯度增大而递增的规律,而轴向Von Mises应力大小由环向Von Mises应力、蒙皮局部经纬向曲率共同决定,且两方向的Von Mises应力均与超压载荷大小成正相关关系,为飞艇艇囊蒙皮超压应力评估和强度计算提供基础性研究.     

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.     

火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用,同时还将与火星表面航天器发生对流换热.热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响,从而确定主要的控温途径.在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上,从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响.器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围...     

舱外航天服空间热流分析计算

进行了舱外航天服的被动热防护性设计,了解其空间辐射换热及空间热流.分析了舱外航天服空间热交换的特点及其真空屏蔽绝热层的隔热性能,确定了航天服、地球、飞船及太阳照射方向的4种典型相对位置关系,对各相对位置下航天服的空间辐射外热流进行了分析,并建立了空间热流的计算方法,对航天服表面最大得热与漏热进行了求解.最终计算结果表明:航天服被动热防护性能对空间热流的影响很大.进行被动热防护设计首先应提高隔热性能,并适当减小表面太阳辐射吸收率与表面黑度的比值.     

航天器用低温多层隔热性能计算方程

航天器常用有效发射率表征多层的隔热性能,其经验值范围为0.02～0.04,经验值仅与多层单元数有关,不随温度变化.有效发射率经验值的适用条件是多层的热面温度约-10℃～50℃,多层的冷面不照太阳.使用条件偏离得越多,有效发射率的经验值导致的计算偏差就越大.针对该问题,提出采用辐射项加导热项的混合传热模型,取代传统的纯辐...     

基于多光谱测温优化的材料光谱发射率测量

针对高温材料红外光谱发射率测量中样品表面温度难以准确测量的问题,提出了直接使用光谱仪测量得出样品表面的光谱辐射能量信息,选取其中合适的光谱波段利用多光谱测温方法得到样品表面温度,进而计算出材料的光谱发射率.分析了多光谱测温中发射率模型的阶次和测量波段选取对测温准确度的影响,给出了温度计算的稳健算法,并对其主要不确定度的来源进行了评定.在1 100 K左右温度下以不锈钢材料进行实验验证,得出温度引起的光谱发射率相对不确定度在2～20 μm范围内低于2%,满足红外隐身和辐射测温等领域的要求,适合于导热性能差的材料或涂层材料的高温光谱发射率测量.     

红外窗口材料的热辐射特性测量方法

飞行器在大气层内高超声速飞行时,高温窗口迅速成为气动热辐射效应的主要因素,气动热辐射效应会降低甚至破坏红外(IR)探测系统的性能.通过分析红外探测窗口热辐射传输特性,提出一种红外窗口材料的热辐射特性测量方法,并测量了应用于中波红外(MWIR)探测系统的某蓝宝石红外窗口材料在高温状态下的透过率和自身辐射等热辐射数据.结果表明:在100~350℃范围内,0.1mm厚蓝宝石材料薄层在中波红外3.7~4.8μm波段的热辐射特性与温度近似呈3次方关系,温度越高,蓝宝石透过率越小,自身辐射越大.强烈的自身辐射极易导致红外探测器局部饱和现象,对探测系统造成的影响比透过率引起的信噪比(SNR)下降要大得多.      

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。      

PCB红外热像辐射率校准的非线性滤波方法

在印制电路板(PCB)的红外辐射诊断中,为了获得PCB表面温度的真实分布,须对PCB红外热像进行辐射率校准.将PCB表面温度的测量波形看作真实温度分布与辐射率分布的混合波形,提出一种非线性滤波方法,利用二者连续性的差异将其区分开来.讨论了作为该方法关键步骤的红外热像突变点检测的小波变换实现问题.实验结果表明该方法能够准确地估计PCB表面温度的真实分布波形.该方法还可以用于PCB红外热像的热源辨识以及对未知材料的辐射率估计中.     

Investigations on temperature distribution of satellite surfaces affected by solar absorptivity

Based on the Monte Carlo ray-tracing method, the network coefficients of thermal network model describing the radiation heat transfer among satellite surfaces is solved by considering the surface material optical characters. It is superiority to the conventional Gebhart’s method in view of the grey body and the diffuse reflection assumptions. The zone leveling method is used to discrete the governing equations and the solar absorpivity is separated and considered to be an important correction parameter. Effects of the solar incidence round angle, the zenith angle and the ratio of absorpivity to emissivity (RAE) on temperature distribution are numerically simulated and discussed in detail. The higher or the lower the RAE may be lead to the alternative heating and cooling tend with a larger heating or cooling velocity of main body surfaces than the solar array surfaces. Furthermore, maximum temperature of main body is almost larger than solar arrays. Under the same RAE, solar incidence angle make a great effect on the uniform character of temperature distribution.     

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和α_s特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。     

A general calculation method to specify center-of-buoyancy for the stratospheric airship with multiple gas cells

As the lighter-than-air (LTA) flight vehicle, the stratospheric airship is a desirable platform to provide communication and surveillance services. During the ascent from sea-level to the mission altitude, the volume of the lifting gas may change significantly, which will result in the change of the center-of-buoyancy (CB). A general calculation method is developed to specify CB for the stratospheric airship with a double-ellipsoid hull and an arbitrary number of the gas cells. The cross-section-integral (CSI) method is used as a basic calculation scenario to specify CB. Considering the complexity in determining the boundary between the helium and air in the gas cell, a searching algorithm is put forward and the specification of CB can be conducted by the iterative calculation. As an important application, the stable condition of the pitch angle is analyzed when the change of CB is involved. Under different initial configurations, the stable pitch angle of the stratospheric airship during the ascent is specified and compared, which shows the advantages of the multi-gas-cell configuration. The results of this paper may provide an important reference for the engineering application of the stratospheric airship.