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    平流層浮空器保壓指標(biāo)對駐空性能的影響

    2016-11-15 06:01:46史智廣張小強李錦清錢太陽
    航空學(xué)報 2016年6期
    關(guān)鍵詞:囊體浮空器平流層

    史智廣, 張小強, 李錦清, 錢太陽

    1.北京臨近空間飛艇技術(shù)開發(fā)有限公司, 北京 100070 2.中國航天科工信息技術(shù)研究院, 北京 100070

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    平流層浮空器保壓指標(biāo)對駐空性能的影響

    史智廣1,2,*, 張小強1,2, 李錦清1,2, 錢太陽1,2

    1.北京臨近空間飛艇技術(shù)開發(fā)有限公司, 北京100070 2.中國航天科工信息技術(shù)研究院, 北京100070

    地面保壓試驗是綜合評估囊體材料性能的重要手段,其設(shè)計指標(biāo)將影響平流層浮空器總體駐空高度與時間的變化范圍。以球形超壓平流層浮空器為例,建立了駐空高度運動學(xué)模型、熱力學(xué)模型及基于微孔損傷的氦氣滲透模型,綜合考慮駐空過程中力、熱耦合引起的浮空器內(nèi)部氦氣壓力、溫度和質(zhì)量等的實時變化,以囊體材料微孔當(dāng)量直徑為橋梁建立了平流層浮空器地面保壓指標(biāo)與駐空高度、駐空時間的耦合關(guān)系,通過定量分析不同保壓指標(biāo)下浮空器駐空性能的變化情況,提取影響規(guī)律,為保壓指標(biāo)的合理設(shè)計提供總體參考。

    保壓指標(biāo); 地面保壓試驗; 平流層浮空器; 微孔當(dāng)量直徑; 駐空性能

    平流層浮空器是一種輕于空氣的飛行器,主要依靠靜浮力滯空飛行,能夠?qū)崿F(xiàn)定點駐空、慢速機動,具有廣闊的軍用、民用前景。目前,國內(nèi)外平流層浮空器的研究仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和縮比小尺寸樣機演示驗證階段。

    囊體作為平流層浮空器靜浮力的主要來源,其氣密性的好壞將直接影響浮空器長期駐空飛行任務(wù)的成敗。由于任何有機薄膜材料都無法完全隔絕氣體,因此擴散滲透是無法避免的,同時在囊體材料制造和浮空器加工過程中,可能造成囊體的微孔損傷[1-6]。為了保證囊體材料加工成型后的氣密性滿足浮空器長航時、既定高度任務(wù)飛行的要求,在實飛前需要開展全尺寸囊體地面保壓試驗,通常采用恒溫、同壓和等駐空時長試驗條件下的囊體壓力損失百分比來表征氣密性的好壞。出于成本控制考慮,常采用空氣作為試驗氣體,同時地面恒溫、長時間試驗環(huán)境控制難度較大,如何通過非等駐空時長、非同種試驗氣體的全尺寸地面保壓試驗指標(biāo)來綜合評估囊體氣密性能對平流層浮空器駐空性能的影響是總體實施單位關(guān)注的焦點。目前國內(nèi)對這方面研究的公開文獻(xiàn)較少,但有不少文獻(xiàn)對浮空器熱輻射特性、運動規(guī)律和囊體材料氦氣滲透等進(jìn)行了研究[7-19]。Li等[7]從氣動、飛行等方面開展了平流層浮空器動態(tài)特性建模綜述性研究;劉東旭等[8]研究了氦氣滲透對高空長航時浮空器駐空性能的影響;李德富[9]、徐向華[10]、Farley[11]、Shi[12]、Harada[13]、姚偉[15]及Cathey[18]等分別從上升、駐空和下降階段開展了平流層浮空器熱特性的分析,并進(jìn)行了仿真研究;鄭威[14]、陳行軍[16]和歐陽晉[17]等對平流層浮空器進(jìn)行了動力學(xué)建模和分析。

    本文以球形超壓平流層浮空器為例,綜合考慮駐空過程中力、熱耦合引起的浮空器內(nèi)部氦氣壓力、溫度等的實時變化,以囊體材料微孔當(dāng)量直徑為橋梁分析了在非等駐空時長、非同種試驗氣體的全尺寸地面保壓試驗條件下綜合評估浮空器總體駐空性能的方法,并進(jìn)行了定量分析,對地面保壓指標(biāo)的確定具有重要的工程參考價值。

    1 駐空高度運動學(xué)模型

    本文研究的球形超壓平流層浮空器結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由囊體、吊艙、桁架和推進(jìn)等組成,其中囊體為超壓正球形,推進(jìn)布局為偏航平面內(nèi)的電動螺旋槳形式。

    圖1 球形超壓平流層浮空器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spherical over pressure stratospheric aerostat

    為了能夠更好地聚焦所研究的問題,下面只分析浮空器的縱向運動特性,不考慮其水平運動及姿態(tài)的變化。

    1.1受力分析

    浮空器縱向主要受到重力G、浮力B、縱向氣動力D及附加慣性力Fadd,定義縱向坐標(biāo)系的原點為平衡高度的起始點,方向為豎直向下,計算過程為

    G=Mg(h)

    (1)

    B=-ρa(h)g(h)V

    (2)

    (3)

    (4)

    式中:M為浮空器總質(zhì)量;V為浮空器體積;S為氣動等效面積;CD為球形阻力系數(shù);h為高度;ρa(h)為大氣密度;g(h)為重力加速度。

    1.2動力學(xué)方程

    根據(jù)牛頓第二定律可知平流層浮空器縱向動力學(xué)方程為

    (5)

    將式(1)~式(4)代入到式(5)中,化簡可得

    (6)

    由于浮空器體積V與內(nèi)外壓差有關(guān),根據(jù)彈性力學(xué)中薄殼彈性變形原理[17],可得囊體半徑R與壓差Δp的關(guān)系為

    (7)

    式中:μ、E為囊體材料泊松比、彈性模量;d為囊體厚度;R0為囊體設(shè)計半徑。

    壓差Δp計算需要迭代氦氣質(zhì)量、溫度等熱力學(xué)參數(shù),其計算過程將在第2節(jié)介紹。

    2 熱力學(xué)模型

    平流層浮空器在駐空過程中內(nèi)部氦氣溫度變化主要受太陽直接輻射、反射輻射、紅外輻射和對流換熱等熱交換方式的影響。

    2.1熱輻射量計算

    計算熱輻射量時,需要知道太陽的位置參數(shù),如圖2所示。

    圖2 太陽位置參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic of solar position parameters

    具體計算過程如下[11-13]:

    (8)

    式中:ELV為太陽高度角;ω為太陽時角;δ為太陽赤緯角;γ為太陽方位角;φ為緯度;Day為積日(日期在年內(nèi)的順序號)。

    (9)

    式中:QSun為直接太陽輻射量;α、τ和r為囊體材料太陽光吸收率、透射率和反射率;IS為標(biāo)準(zhǔn)太陽光強;τa為大氣透射率。

    (10)

    式中:QAl為反射輻射量;Al為地面反射率。

    (11)

    式中:QIRplanet為地球紅外輻射量;QIRsky為云層紅外輻射量;QIRfilm為囊體內(nèi)部紅外輻射量;QIRout為囊體內(nèi)外部紅外發(fā)射量;αIR、τIR分別為囊體材料紅外吸收率、透射率;εg、Tg分別為地面紅外發(fā)射率、地面溫度;εs、Ts分別為云層紅外發(fā)射率、云層溫度;ε、Tf分別為囊體材料紅外發(fā)射率、囊體溫度;σ為Stephan-Boltzman常數(shù)。

    2.2對流換熱計算

    對流換熱計算過程為[11-13]

    (12)

    式中:QConvExt為外部對流加熱量;QConvInt為內(nèi)部對流熱損失量;Ta、The分別為空氣溫度、氦氣溫度;Hinternal、Hexternal分別為囊體球內(nèi)、外部熱傳遞系數(shù),即

    (13)

    其中:khe、ka分別為氦氣、空氣的熱傳導(dǎo)率;ρhe為囊體內(nèi)氦氣密度;μa為空氣的動力黏度;Prhe、Nua和Re分別為氦氣的普朗特數(shù)、努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)。上述相關(guān)系數(shù)的計算方法可以參見文獻(xiàn)[11],這里不再詳述。

    2.3熱力學(xué)方程

    根據(jù)氣體溫度變化速率遵循絕熱膨脹規(guī)律,結(jié)合式(8)~式(13),可求出平流層浮空器囊體、內(nèi)部氦氣溫度的熱力學(xué)方程為

    (14)

    (15)

    式中:cf、Mf分別為囊體比熱容、質(zhì)量;cv、Mhe和Rhe分別為氦氣比熱容、質(zhì)量和氣體常數(shù)。

    囊體壓差Δp的計算[8]分為2種情況:① 在浮空器未達(dá)到設(shè)計狀態(tài)(即未完全膨脹滿)時,設(shè)定浮空器的平均壓差為零,體積等于氦氣質(zhì)量除以氦氣密度;② 浮空器膨脹滿時,壓差與浮空器變形有關(guān),須進(jìn)行迭代計算,迭代計算主要基于熱力學(xué)方程和囊體變形方程,即式(7)、式(14)和式(15)。

    3 氦氣滲透模型

    由于囊體內(nèi)氦氣擴散滲透的不可避免性及加工過程中可能造成的囊體微孔損傷,使得囊體氣密性降低。為了能夠準(zhǔn)確地描述囊體內(nèi)部氦氣的動態(tài)損失過程,采用由伯努利方程推導(dǎo)出的流量與當(dāng)量直徑的計算方式[8],即

    (16)

    式中:mhe_loss為氦氣損失質(zhì)量;Dhe_loss為囊體微孔當(dāng)量直徑。

    通過式(16)可以看出,囊體內(nèi)部氦氣質(zhì)量損失速率是由內(nèi)外壓差、氣體密度、微孔當(dāng)量直徑?jīng)Q定的,在保壓試驗和駐空任務(wù)過程中是實時動態(tài)變化的。

    4 保壓指標(biāo)與駐空性能的計算耦合

    平流層浮空器地面保壓試驗是為了檢驗?zāi)殷w材料成型后的氣密性好壞程度,保證其能滿足總體駐空性能的要求。試驗條件設(shè)置如下:地面恒溫條件下,對全尺寸浮力囊體充入空氣至駐空任務(wù)工作壓差Δp1,靜止至設(shè)定的保壓時間,然后測定試驗結(jié)束時的壓差Δp2,計算保壓指標(biāo)(壓力損失)是否滿足總體要求。保壓指標(biāo)計算公式為

    (17)

    為了建立平流層浮空器地面保壓指標(biāo)與駐空性能的耦合關(guān)系,為地面保壓指標(biāo)的確立提供總體指導(dǎo),假設(shè)全尺寸囊體在地面保壓試驗與駐空任務(wù)飛行過程中,囊體損傷程度相同,即囊體微孔當(dāng)量直徑相等。這樣就可以通過囊體微孔當(dāng)量直徑建立地面保壓試驗(非同種試驗氣體、非等駐空時長)工況與駐空任務(wù)飛行(動力學(xué)、熱力學(xué)及氦氣損失動態(tài)耦合)工況計算的耦合關(guān)系,實時準(zhǔn)確地描述地面保壓指標(biāo)對駐空性能的影響,反之可以通過對平流層浮空器駐空性能的總體要求確定地面保壓指標(biāo)。其耦合分析計算過程如圖3所示。

    圖3 地面保壓指標(biāo)與駐空性能計算耦合流程Fig.3 Calculation coupling flowchart of ground pressure-maintenance index and stagnation performance

    5 算例分析

    綜合考慮上述耦合因素,利用MATLAB仿真環(huán)境進(jìn)行定量的數(shù)值迭代分析。

    5.1仿真參數(shù)設(shè)置

    1) 地面保壓工況。初始保壓參數(shù):1 200 Pa;試驗溫度:室溫;試驗介質(zhì):空氣;保壓時間:24 h。

    2) 駐空工況。浮空器參數(shù)如表1所示;大氣環(huán)境采用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型;囊體材料參數(shù):彈性模量E=6.76 GPa,泊松比μ=0.1,厚度d=0.22 mm;放飛參數(shù):北緯38.7°,6月20日,從設(shè)計高度、零時開始仿真。

    表1 浮空器基本設(shè)計參數(shù)

    5.2仿真結(jié)果分析

    1) 地面保壓工況

    從圖4可以看出,地面保壓試驗的壓力損失在24 h內(nèi),隨著保壓時間的增加基本線性增加,但隨著微孔當(dāng)量直徑的增加而大幅度增大。微孔直徑為1 mm,壓力損失只有0.75%;當(dāng)微孔直徑增加到8 mm,壓力損失增至42.61%。

    2) 駐空工況

    從圖5可以看出,在72 h的駐空飛行過程中,溫差ΔT、壓差Δp發(fā)生周期性變化,最高溫差達(dá)68 K,最低溫差隨微孔當(dāng)量直徑的增加而不斷提高;超壓最高達(dá)1 700 Pa,但隨著駐空時間的增加,微孔當(dāng)量直徑增加,周期性的超壓峰值逐漸降低;上述現(xiàn)象主要是由于囊體出現(xiàn)微孔造成氦氣隨駐空時間不斷泄露造成的。

    圖5 不同微孔當(dāng)量直徑下囊體內(nèi)外溫差和壓差與駐空時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between envelope temperature-difference and pressure-difference and stagnation time for different micro-equivalent diameters

    從圖6可以看出,隨著微孔當(dāng)量直徑的增加,駐空時間增加,導(dǎo)致駐空高度、囊體形變周期性浮動范圍增大,直至出現(xiàn)囊體收縮未成形、駐空高度無法保持(甚至掉落)現(xiàn)象;微孔直徑當(dāng)量達(dá)到5 mm,駐空高度在72 h內(nèi)跌落到18 km,囊體變形率為13.3%(欠壓非成形);微孔直徑達(dá)當(dāng)量到8 mm,平流層浮空器在53 h內(nèi)跌落到地面。

    圖6 不同微孔當(dāng)量直徑下駐空高度、囊體變形和高度失衡與駐空時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between stagnation height, envelope deformation and unbalanced height and stagnation time for different micro-equivalent diameters

    3) 地面保壓與駐空性能的關(guān)系

    考慮平流層浮空器應(yīng)用要求,規(guī)定高度在設(shè)計高度1%范圍內(nèi)浮動都屬于實現(xiàn)駐空。

    圖7給出了地面保壓指標(biāo)、駐空時間與微孔當(dāng)量直徑的數(shù)值關(guān)系。從圖中可以看出,微孔損失當(dāng)量直徑達(dá)1 mm,可實現(xiàn)穩(wěn)定駐空35 h,但要求地面24 h保壓指標(biāo)達(dá)到0.75%,對囊體材料的氣密性要求較高;隨著微孔當(dāng)量直徑的增加,駐空時間指數(shù)下降,地面保壓指標(biāo)(壓力損失)二次曲線增長;微孔損失當(dāng)量直徑達(dá)7 mm以后,只能實現(xiàn)穩(wěn)定駐空1 h,但地面24 h保壓指標(biāo)可提高到33.65%,大大降低了總體對囊體氣密性的要求。

    圖7 地面保壓指標(biāo)、駐空時間與微孔當(dāng)量直徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between ground pressure-maintenance index, stagnation time and micro-equivalent diameters

    6 結(jié) 論

    本文以球形超壓平流層浮空器為例,綜合考慮駐空過程中力、熱耦合引起的浮空器內(nèi)部氦氣壓力、溫度和質(zhì)量等的實時變化,以囊體材料微孔當(dāng)量直徑為橋梁建立平流層浮空器地面保壓指標(biāo)與駐空高度、駐空時間的耦合關(guān)系,為總體評估地面保壓指標(biāo)對駐空性能的影響或通過總體對駐空性能的要求確定合理的地面保壓指標(biāo)提供了一種方法途徑。

    1) 地面保壓指標(biāo)(壓力損失)在24 h內(nèi)隨保壓時間基本呈線性增長關(guān)系,但隨微孔當(dāng)量直徑的增加呈二次曲線增長趨勢。

    2) 囊體溫差、壓差隨駐空時間出現(xiàn)周期性變化,但溫差的最低值隨微孔當(dāng)量直徑的增加逐漸升高,而超壓的峰值則逐漸降低。

    3) 駐空高度隨微孔當(dāng)量直徑的增加,浮動加劇,浮空器有跌落的可能。

    4) 駐空時間與地面保壓指標(biāo)有直接的聯(lián)系,駐空時間長,要求地面保壓指標(biāo)低,對囊體材料的氣密性要求高;駐空時間短,對地面保壓指標(biāo)的要求就可以提高,對囊體材料的氣密性要求可大大降低。

    5) 地面保壓指標(biāo)的提高可以放寬駐空高度浮空范圍,但由于浮空器動力、能源等系統(tǒng)的效率受駐空高度的影響較大,為保證平臺可靠運行,應(yīng)嚴(yán)格控制囊體材料性能,加工工藝流程,防止微孔損傷的出現(xiàn)。

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    史智廣男, 碩士, 工程師。主要研究方向: 平流層飛艇總體設(shè)計, 飛行器控制設(shè)計, 伺服系統(tǒng)控制設(shè)計, 數(shù)值建模仿真。

    Tel: 010-57831302

    E-mail: shizhiguang_htyy@sina.cn

    Effect of ground pressure-maintenance index on stagnationperformance of stratospheric aerostats

    SHI Zhiguang1,2,*, ZHANG Xiaoqiang1,2, LI Jinqing1,2, QIAN Taiyang1,2

    1. Beijing Near Space Airship Technology Development Co., Ltd., Beijing100070, China 2. Science & Industry Academy of Information Technology, China Aerospace Corp., Beijing100070, China

    Ground pressure-maintenance trial is a significant way to evaluate comprehensively the envelope performance, whose designing index will affect the stagnation height and time of stratospheric aerostats. A spherical pressure stratospheric aerostat is analyzed as an example to estimate real-time dynamics of helium pressure, temperature and mass in stagnation process by establishing vertical motion model, thermodynamic model and micro-damnification model of helium permeability. The relationship between ground pressure-maintenance index, stagnation height and time of stratospheric aerostats is deduced through envelope material micro-damnification equivalent diameter. Then, the effect law is summarized to provide an overall reference for the reasonable designing pressure-maintenance index by analyzing quantitatively the stagnation performance and pressure-maintenance index.

    pressure-maintenance index; ground pressure-maintenance trial; stratospheric aerostats; micro-equivalent diameter; stagnation performance

    2015-06-29; Revised: 2015-09-04; Accepted: 2015-09-28; Published online: 2015-10-0909:40

    . Tel.: 010-57831302E-mail: shizhiguang_htyy@sina.cn

    2015-06-29; 退修日期: 2015-09-04; 錄用日期: 2015-09-28;

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    10.7527/S1000-6893.2015.0267

    V19

    A

    1000-6893(2016)06-1833-08

    引用格式: 史智廣, 張小強, 李錦清, 等. 平流層浮空器保壓指標(biāo)對駐空性能的影響[J]. 航空學(xué)報, 2016, 37(6): 1833-1840. SHI Z G, ZHANG X Q, LI J Q, et al. Effect of ground pressure-maintenance index on stagnation performance of stratospheric aerostats[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1833-1840.

    http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

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