浮空器熱環(huán)境與熱特性研究.pdf

1、浮空器由于滯空時(shí)間長、成本低和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外已經(jīng)對其開展了大量研究。浮空器的升力機(jī)理與常規(guī)飛行器不同，主要來源于氣囊內(nèi)浮升氣體與環(huán)境空氣的密度差。因此，與常規(guī)飛行器相比，浮空器一般具有很大的外形尺寸，這使得其對外部熱環(huán)境極為敏感。在浮空器的設(shè)計(jì)和研究過程中，熱特性研究是其中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，而熱環(huán)境因素研究是浮空器熱特性研究的基礎(chǔ)。影響浮空器熱特性的熱環(huán)境因素主要有長波輻射、太陽輻射和對流換

2、熱三部分。目前，對浮空器熱特性的研究中，長波輻射和太陽輻射模型以地面模型為主，蒙皮內(nèi)部長波輻射均簡化為灰體輻射，而外表面強(qiáng)迫對流換熱計(jì)算公式的雷諾數(shù)(Re)適用范圍較小。而實(shí)際情況中，浮空器工作所處的海拔高、外部Re大，并且對于高空氣球，蒙皮長波輻射透過率是一個(gè)不可忽略的因素。這些因素考慮不當(dāng)，會給浮空器熱特性的分析帶來顯著的誤差。因此，深入開展浮空器熱環(huán)境和熱特性的研究，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　基于上述認(rèn)識，本文

3、圍繞著浮空器熱環(huán)境和熱特性問題開展了一系列研究，主要工作和成果如下：
　　(1)建立了浮空器的長波輻射模型。由已知的不同海拔高度的天空長波輻射測量數(shù)據(jù)，根據(jù)理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對大氣輻射模型進(jìn)行了回歸分析，提出了新的大氣輻射模型，加入了海拔高度對天空發(fā)射率的修正。與已知大氣輻射模型和光譜分析軟件進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了其精度。同時(shí)，對地面長波輻射的大氣透過率進(jìn)行了研究，分析了地面長波輻射大氣透過率與海拔高度和垂直大氣水汽

4、柱高度的關(guān)系，提出了新的地面長波輻射大氣透過率公式。最后，研究了高空氣球蒙皮長波輻射透過率對蒙皮間相互輻射的影響，提出了半透明灰體材料間長波輻射換熱的計(jì)算方法。
　　(2)建立了太陽輻射模型。根據(jù)等效大氣理論，提出了新的大氣質(zhì)量計(jì)算公式，修正了高海拔低太陽高度角情況下傳統(tǒng)計(jì)算公式的誤差。分析了對太陽輻射起吸收作用和散射作用的大氣組分及其垂直分布剖面，研究了其對太陽輻射的吸收和散射作用。引入了氣象參數(shù)和海拔高度對太陽直射輻射和太陽散

5、射輻射值的影響，分別提出了新的太陽直射輻射模型和太陽散射輻射模型。并對高空太陽反射輻射進(jìn)行了分析，引入了氣象參數(shù)和海拔高度對太陽反射輻射值的影響。通過太陽輻射數(shù)據(jù)和光譜分析軟件驗(yàn)證表明，新模型具有很高的精度，明顯優(yōu)于現(xiàn)有的太陽輻射模型。
　　(3)建立了高Re下的強(qiáng)迫對流換熱模型。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件，對球體和不同長細(xì)比的橢球體的外表面強(qiáng)迫對流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了不同Re下的外蒙皮平均換熱系數(shù)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，擬合得到了球

6、體和橢球體強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)與Re和長細(xì)比的關(guān)系。
　　(4)分析了浮空器的受力情況以及蒙皮和浮升氣體的傳熱機(jī)理，建立了浮空器的運(yùn)動(dòng)方程和熱力學(xué)模型，據(jù)此編寫了仿真計(jì)算程序，通過已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。用該計(jì)算程序?qū)Ω呖諝馇虻倪\(yùn)動(dòng)特性和熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，模擬了其上升過程的軌跡和熱力學(xué)特性；給出了蒙皮輻射特性、云層和大氣模式等因素對浮升氣體溫度、蒙皮溫度分布、充氣質(zhì)量和載荷質(zhì)量的影響關(guān)系。對系留氣球脫系后的運(yùn)動(dòng)特性和熱力學(xué)特