平流層浮空器的熱特性及其動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、平流層浮空器駐空時(shí)間長、成本低，在預(yù)警監(jiān)測、導(dǎo)航、通信中繼等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。由于飛行原理、工作特點(diǎn)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(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流以及熱輻射的復(fù)雜耦合作用，并對(duì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中的共性基礎(chǔ)問題。目前，對(duì)平流層浮空器的熱特性控制機(jī)制、溫度分布與變化規(guī)律及其對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響都缺乏

2、必要的認(rèn)識(shí)。因此，深入開展熱特性及其動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究，對(duì)平流層浮空器技術(shù)發(fā)展具有重要意義?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本文從蒙皮材料熱輻射特性、浮空器模型傳熱特性模擬實(shí)驗(yàn)、浮空器蒙皮與環(huán)境、填充氣體的耦合傳熱特性、熱動(dòng)力學(xué)效應(yīng)幾個(gè)方面開展研究。
　　首先通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhì)吸收系數(shù)。為了認(rèn)

3、識(shí)太陽輻照和氣流對(duì)流同時(shí)作用下浮空器的熱響應(yīng)特性、獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)浮空器模型的瞬態(tài)傳熱特性模擬實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jī)制，建立了平流層浮空器蒙皮與外部環(huán)境、內(nèi)部填充氣體之間的瞬態(tài)耦合傳熱模型，編制了計(jì)算程序。在可靠性驗(yàn)證基礎(chǔ)上，對(duì)球形浮空器升空和定點(diǎn)過程中的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了蒙皮輻射物性

4、和熱環(huán)境因素對(duì)溫度變化特性的影響。進(jìn)一步，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)與蒙皮外部的對(duì)流與輻射耦合熱邊界條件，建立了浮空器氣囊內(nèi)部低壓氣體的自然對(duì)流計(jì)算模型。通過將CFD軟件與自編程序模塊相結(jié)合，數(shù)值模擬了平流層熱環(huán)境下，雙橢球形浮空器定點(diǎn)飛行過程中氣囊內(nèi)部填充氣體的自然對(duì)流晝夜變化特性，考察了蒙皮輻射物性、雙氣囊結(jié)構(gòu)等因素的影響；獲得了蒙皮與填充氣體自然對(duì)流換熱的局部熱流、對(duì)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(guān)系式。
　　在對(duì)浮空器耦合傳熱特性研究基礎(chǔ)上，首次分析了平流層定點(diǎn)飛行過程中，耦合傳熱引起的氣囊內(nèi)部非均勻溫度場對(duì)質(zhì)心和力矩的影響。并通過建立熱動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)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(qū)動(dòng)流對(duì)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(duì)平流層浮空器定點(diǎn)和升空過程中的耦合傳熱機(jī)制、瞬態(tài)熱特性及相關(guān)因素的影響作用，獲得了較深入細(xì)致的認(rèn)識(shí)，積累了典型飛行條件