平流層浮空器的熱特性及其動力學效應研究.pdf

1、平流層浮空器駐空時間長、成本低，在預警監(jiān)測、導航、通信中繼等領域有廣泛應用前景。由于飛行原理、工作特點及熱環(huán)境的特殊性，平流層浮空器熱特性與航天器、高速航空器存在較大差異，涉及氣流強制對流、自然對流以及熱輻射的復雜耦合作用，并對浮空器的浮升特性、飛行控制以及蒙皮材料性能產(chǎn)生不同程度的影響。這使得熱特性及其影響成為平流層浮空器多項關鍵技術中的共性基礎問題。目前，對平流層浮空器的熱特性控制機制、溫度分布與變化規(guī)律及其對動力學特性的影響都缺乏

2、必要的認識。因此，深入開展熱特性及其動力學效應研究，對平流層浮空器技術發(fā)展具有重要意義?；谏鲜稣J識，本文從蒙皮材料熱輻射特性、浮空器模型傳熱特性模擬實驗、浮空器蒙皮與環(huán)境、填充氣體的耦合傳熱特性、熱動力學效應幾個方面開展研究。
　　首先通過實驗測量，獲得了一種蒙皮材料的紅外發(fā)射率數(shù)據(jù)；并基于半透明蒙皮材料的輻射傳遞特性，利用樣片的表觀輻射特性實驗數(shù)據(jù)，采用非線性參數(shù)最小二乘法，分析獲得了蒙皮材料的表面反射率和介質吸收系數(shù)。為了認

3、識太陽輻照和氣流對流同時作用下浮空器的熱響應特性、獲得實驗驗證數(shù)據(jù)，建立了一個浮空器模型的瞬態(tài)傳熱特性模擬實驗裝置，測量獲得了模擬太陽輻照和不同氣流條件下，浮空器模型蒙皮和內部氣體的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)。
　　通過分析平流層的熱環(huán)境特性與浮空器傳熱過程機制，建立了平流層浮空器蒙皮與外部環(huán)境、內部填充氣體之間的瞬態(tài)耦合傳熱模型，編制了計算程序。在可靠性驗證基礎上，對球形浮空器升空和定點過程中的瞬態(tài)熱響應特性進行了模擬計算，分析了蒙皮輻射物性

4、和熱環(huán)境因素對溫度變化特性的影響。進一步，結合模擬實驗認識與蒙皮外部的對流與輻射耦合熱邊界條件，建立了浮空器氣囊內部低壓氣體的自然對流計算模型。通過將CFD軟件與自編程序模塊相結合，數(shù)值模擬了平流層熱環(huán)境下，雙橢球形浮空器定點飛行過程中氣囊內部填充氣體的自然對流晝夜變化特性，考察了蒙皮輻射物性、雙氣囊結構等因素的影響；獲得了蒙皮與填充氣體自然對流換熱的局部熱流、對流換熱系數(shù)分布規(guī)律；根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，擬合得出了局部換熱系數(shù)隨無量綱溫度（

5、溫差）的關系式。
　　在對浮空器耦合傳熱特性研究基礎上，首次分析了平流層定點飛行過程中，耦合傳熱引起的氣囊內部非均勻溫度場對質心和力矩的影響。并通過建立熱動力學模型，進行數(shù)值模擬，探討了蒙皮與來流氣流溫差引起的熱物性變化和熱驅動流對浮空器浮升力的影響。
　　通過研究，豐富和發(fā)展了平流層浮空器熱特性研究方法，對平流層浮空器定點和升空過程中的耦合傳熱機制、瞬態(tài)熱特性及相關因素的影響作用，獲得了較深入細致的認識，積累了典型飛行條件