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.     

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.     

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.      

面向对地成像观测任务的高空飞艇应急调度

针对应急条件下高空飞艇(HAA)对地成像观测任务调度问题进行研究,分析了问题中的主要约束条件,建立了以任务收益(TB)和巡航距离为优化目标的约束满足问题(CSP)模型。考虑飞艇侦察载荷具有侧摆观测能力,在构建视场范围约束模型和分辨率约束模型的基础上,对成像观测任务进行合成。提出了元任务与合成任务的概念,给出了任务合成的步骤与方法。将HAA应急调度问题转换为车辆路径问题(VRP),并进一步分解为任务排序主问题和路径选择子问题,分别应用改进粒子群(IPSO)算法和关键节点搜索(KNS)算法求解。详细介绍了算法中的编码、解码和移动等操作,以及采用的混沌初始化和禁忌搜索(TS)策略。通过仿真实验,对文中所提方法的有效性进行了验证。     

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。     

多类异构对地观测平台协同任务规划方法

目前,不同类型的对地观测平台之间缺乏有效的协同交互机制。这种孤立的资源管控模式难以应对多样且大量的对地观测需求。特别是在一些紧急情况下,如地震、武装冲突、洪涝灾害和森林火灾等,这种模式的弊端尤为突出。研究了多类异构观测资源,包括卫星、飞艇及无人机(UAV)的协同规划问题。首先,提出一种基于多Agent的分层协同规划框架,整合不同观测资源构成一个分布式和松耦合的对地观测系统。其次,将异构对地观测平台的协同规划问题转化为不同子规划中心间的任务分配问题。第三,针对该任务分配问题,提出一种结合禁忌列表模拟退火(SA-TL)算法,在该算法中融合了禁忌表策略,有效提高了算法的性能。仿真实验验证了多Agent协同框架的优越性和SA-TL算法的效率。     

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.      

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.     

深空自主飞艇探测器技术发展

介绍了美国典型自主飞艇探测器的研究现状、总体技术方案和关键支撑技术。针对我国未来的深空飞艇技术发展,提出以火星应用为重点,促进在智能自主控制、新型材料、同位素热电等关键技术领域的技术发展,并与地球临近空间飞艇技术的发展彼此借鉴等建议,可为我国未来深空探测提供参考。     

飞艇系留系统静态与动态仿真研究

文章建立了飞艇系留系统多体力学仿真模型,将绳索处理为质点-弹簧-阻尼系统,在有风条件下针对某型飞艇产品进行了静力学和动力学分析。结果表明,张力从地面沿系留绳逐渐增大,在与飞艇连接处达到峰值;在一定范围内,随着飞艇攻角的增加,飞艇的驻空高度增加,偏移量减小,但绳索内部张力也有显著的提高;绳索质量增大会影响飞艇系留系统性能;随着风速的增加,飞艇的水平偏移量增大,驻空高度降低,绳索张力增大;在变风场条件下,绳索内张力波动范围不大。