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.     

大型重载飞艇梁索结构设计与应用研究现状

大型重载飞艇在运输、救援、军事等领域具有大型运输类飞机所不具备的性能优势和用途。本文归纳总结国内外有关大型重载飞艇硬式结构的设计和研究现状,从梁索结构特点、结构形式和选材、结构设计和分析方法、结构模型设计分析以及模型试验等方面进行分类综述,并对我国开展大型重载飞艇硬式结构预先研究和型号开发提出具体实施建议。     

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.     

某常规飞艇与混合式飞艇总体设计和性能分析

为了对常规单囊体飞艇和混合式飞艇各自的性能特点有更清晰的认识,分别设计了某常规飞艇和混合式飞艇的总体方案,建立了两类飞艇的分析模型,并从气动特性、浮升特性、重量特性、续航特性方面对二者的综合性能进行了比较和分析。研究表明：在体积相同的情况下,虽然混合式飞艇在阻力特性方面不如单囊体飞艇,但由于混合式飞艇动升力较大,并可以借助动升力来平衡燃油的消耗,且有效载荷大、载油量大、可操纵性好,更有利于长航时飞行。研究结果可为我国开展长航时和大载重飞艇研制提供一定的设计参考。     

基于阻力气动特性计算的飞艇艇身外形研究

采用SIMPLE算法、S-A湍流模型求解了三维不可压雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕飞艇的低速不可压粘性流动,计算了不同艇身外形的阻力特性.本文方法计算结果与实验结果或其他文献的计算结果符合良好,可以用于飞艇的气动特性计算.通过对6个不同外形的相同体积飞艇阻力特性计算,得到了最佳艇身外形,表明本文方法可以用于艇身外形的选型设计.     

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.      

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...     

"空中列车"系统的研究与设计

本文主要介绍了“空中列车”系统的研究与设计,即采用一艘动力艇牵引几艘拖艇的多艇串联的方法,对飞艇的总体和局部进行了研究与设计。     

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。     

飞艇空气动力学及其相关问题

对低空和高空飞艇在发射、回收、驻留、巡航或系留状态下所涉及的空气动力学问题及其重要性进行分析,介绍飞艇空气动力学研究的进展和主要结论,指出需要进一步解决的问题。低空飞艇的空气动力学问题主要包括厚艇身带来的流动分离与减阻、非薄平组件的非线性干扰、柔弹性表面或系留带来的流固耦合、因低速飞行带来的环境敏感性等。大量学者进行了相应的研究。高空即平流层飞艇还涉及多种新的空气动力学问题,包括热、浮力与气动的强耦合、昼夜外形变化、发射与回收过程中的突风带影响、风切变干扰等。关于这些问题的研究处于起步阶段。另外,还针对地面及大气边界层的影响、多边形外形以及副气囊喷流与主流干扰等很少有人研究的问题对飞艇周边流场进行了初步数值模拟。     

Stratobus平流层飞艇项目研究进展与仿真分析

平流层飞艇是当前的前沿热点研究方向,创新性强、技术挑战大。针对国外公开在研的大型超长航时平流层飞艇项目Stratobus,首先对基本方案进行总结分析,梳理总体研究进展,然后归纳剖析囊体材料、太阳电池、可再生氢氧燃料电池、吊舱移动系统等核心关键技术方案和研究进展,在此基础上,通过数值仿真,对决定平流层飞艇总体方案可行性的浮重平衡、推阻平衡、能源平衡进行综合分析,提出了Stratobus项目发展的启示,为平流层飞艇总体设计和研究发展提供参考借鉴。     

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。     

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。     

飞艇运动建模与仿真验证

在研究临近空间浮空器的过程中,设计了一种低空实验飞艇.为了评价该飞艇的稳定性和操纵性,建立了飞艇的六自由度运动方程数学模型,使用Matlab/Simulink软件完成了飞艇飞行仿真软件设计.另外采用Flightgear作为飞行仿真视景软件,设计飞行仿真软件驱动视景软件的网络接口程序.利用飞行仿真软件,进行了该低空飞艇运动的仿真验证.仿真结果表明,软件达到了预定的设计目标,该实验飞艇方案可行,安定面和推进动力配置基本合理.     

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.      

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。     

高空飞艇定点控制关键技术及解决途径

介绍了有关高空飞艇的概念和关键技术,指出自适应定点控制是高空飞艇发展中的核心关键技术.通过分析,探讨了自适应定点控制需要研究的内容和技术难点.在此基础上,提出了初步的技术途径和一种新的控制方案,为进一步开展研究工作奠定基础.     

Yaw controller design of stratospheric airship based on phase plane method

Recently,stratospheric airships prefer to employ a vectored tail rotor or differential main propellers for the yaw control,rather than the control surfaces like common low-altitude airship.The load capacity of vectored mechanism and propellers are always limited by the weight and strength,which bring challenges for the attitude controller.In this paper,the yaw channel of airship dynamics is firstly rewritten as a simplified two-order dynamics equation and the dynamic characteristics is analyzed with a phase plane method.Analysis shows that when ignoring damping,the yaw control channel is available to the minimum principle of Pontryagin for optimal control,which can obtain a Bang–Bang controller.But under this controller,the control output could be bouncing around the theoretical switch curve due to the presence of disturbance and damping,which makes adverse effects for the servo structure.Considering the structure requirements of actuators,a phase plane method controller is employed,with a dead zone surrounded by several phase switch curve.Thus,the controller outputs are limited to finite values.Finally,through the numerical simulation and actual flight experiment,the method is proved to be effective.