平流層飛艇新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

王根輝 張常東

摘 要 本文針對基于超壓氦氣囊和充氣骨架構(gòu)型的平流層飛艇新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（簡稱新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)）地面樣機(jī)，開展24小時(shí)原理試驗(yàn)，驗(yàn)證新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理的可行性。通過試驗(yàn)表明，新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理是可行的，通過試驗(yàn)研究為新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于平流層飛艇積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 平流層飛艇;新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng);超壓氦氣囊;充氣骨架

引言

平流層飛艇是利用20千米高度附近風(fēng)速較小而且相對穩(wěn)定等有利條件，攜帶任務(wù)載荷，依靠浮力升空，在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定長時(shí)間駐留、可控飛行的浮空飛行器。具有可定點(diǎn)飛行、留空時(shí)間長、探測范圍廣、載荷能力強(qiáng)和費(fèi)效比高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

平流層飛艇傳統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在駐空和回收過程中面臨的壓力調(diào)節(jié)難、駐空高度不穩(wěn)、夜晚能源緊缺、難以成形回收等困難，因此提出了基于超壓氦氣囊和充氣骨架構(gòu)型的平流層飛艇新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（下文簡稱新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)）。本文基于新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理研制了一套地面模擬試驗(yàn)樣機(jī)，開展新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)地面24小時(shí)原理試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理的可行性。

1樣機(jī)設(shè)計(jì)

新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)地面樣機(jī)由氣囊、超壓氣囊、充氣骨架、副氣囊、小氣囊、太陽能電池板、氦氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、電磁閥、壓力傳感器、太陽能輻射傳感器、溫度測量系統(tǒng)、電流/電壓傳感器和測控系統(tǒng)等組成。

氣囊、超壓氣囊、充氣骨架、副氣囊和小氣囊均選用URETEK-3216LV型囊體材料。氣囊直徑為2000mm，長度為6500mm;充氣骨架直徑為160mm，通過尼龍搭扣固定在氣囊內(nèi);超壓氣囊和副氣囊布置在氣囊內(nèi)，直徑均為1500mm，長度為1300mm。小氣囊布置在氣囊外，通過軟管與氣囊連接，保證小氣囊與氣囊連通。

地面樣機(jī)選用一塊PVL-31型柔性薄膜太陽能電池，布置在氣囊頂部;選用兩臺W2025型微型壓縮機(jī)，分別用于給充氣骨架和超越氣囊充氣，兩臺壓縮機(jī)安裝在小氣囊內(nèi)，壓縮機(jī)充氣管路上接頭自帶單向閥，防止氣體回流;地面樣機(jī)選用兩臺電磁閥，一臺用于超壓氣囊放氣，布置在小氣囊內(nèi)，一臺控制副氣囊的充放氣，布置在副氣囊充放氣管路上。

在氣囊外設(shè)置一臺風(fēng)機(jī)給副氣囊充氣，風(fēng)機(jī)通過充氣管路與副氣囊聯(lián)通。在氣囊、超壓氣囊、充氣骨架和副氣囊內(nèi)分別設(shè)置壓力傳感器用于測量壓力。在氣囊內(nèi)部及外部周圍布置10個(gè)溫度傳感器，用于測量氣囊內(nèi)外的溫度變化，在氣囊頂部布置有太陽能電池板，用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在氣囊外設(shè)置一個(gè)太陽能輻射傳感器，用于測量太陽能輻射的強(qiáng)弱變化。

測控系統(tǒng)由PXI平臺、傳感器測量電路、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成硬件系統(tǒng)，采用圖形化編程語言LABVIEW進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，并可切換為手動(dòng)控制試驗(yàn)。

2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)制定了兩種試驗(yàn)方案，即超壓氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力和副氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)。

試驗(yàn)原理：當(dāng)白天溫度升高時(shí)，氣囊壓力上升，為維持氣囊內(nèi)壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，需要通過壓縮機(jī)將氣囊內(nèi)的氦氣壓縮至超壓氣囊內(nèi)，或打開控制副氣囊放氣的電磁閥對副氣囊放氣，直至氣囊壓力達(dá)到規(guī)定值。當(dāng)晚上溫度下降時(shí)，氣囊壓力降低，為維持氣囊內(nèi)壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，打開控制超壓氣囊放氣的電磁閥，將超壓氦氣內(nèi)的壓縮氣體釋放至氣囊內(nèi)，或打開控制副氣囊充氣的風(fēng)機(jī)和電磁閥，給副氣囊充氣，直至氣囊壓力達(dá)到規(guī)定值。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 超壓氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)結(jié)果

2017年2月24日22時(shí)開展超壓氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)初始壓力分別是：充氣骨架壓力為32547 Pa，超壓氦氣囊壓力為13671 Pa，氦氣囊壓力為650 Pa，環(huán)境溫度1℃。

試驗(yàn)終止時(shí)間為2月25日22時(shí)，終止時(shí)壓力分別是：充氣骨架壓力為4258 Pa，超壓氦氣囊壓力為470 Pa，氦氣囊壓力為251 Pa，環(huán)境溫度為14℃。

3.2 副氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)結(jié)果

2017年6月19日23時(shí)開展副氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)初始壓力分別是：充氣骨架壓力為32893 Pa，氦氣囊壓力為580 Pa，副氣囊壓力583Pa，試驗(yàn)環(huán)境溫度為13.9℃。

第二天下午14時(shí)48分氣囊無法保持飽和的外形，維護(hù)口蓋處出現(xiàn)低頭，此時(shí)充氣骨架壓力為352 Pa，氣囊壓力為260 Pa，副氣囊壓力為261 Pa。到晚上19時(shí)10分左右，氣囊底部已經(jīng)塌下，無法保持外形。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由試驗(yàn)結(jié)果可知，超壓氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力實(shí)現(xiàn)了24 h氣囊壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，副氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了約15h氣囊壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制;

（2）由于氣囊材料特性限制，軟式氣囊結(jié)構(gòu)氣密性存在一定的局限性，地面樣機(jī)試驗(yàn)中，超壓氣囊和充氣骨架內(nèi)的壓力均充至最大值;

（3）通過地面樣機(jī)試驗(yàn)表明，地面樣機(jī)24小時(shí)原理試驗(yàn)的最佳開始試驗(yàn)時(shí)間為一天中氣溫最低的時(shí)刻;

（4）由試驗(yàn)結(jié)果可知，一天中溫度升高的時(shí)間在早上8點(diǎn)到中午12點(diǎn)之間，即溫度升高的時(shí)間只有4小時(shí)，通過超壓氣囊給氣囊放氣或通過風(fēng)機(jī)給副氣囊充氣次數(shù)大于向超壓氣囊充氣或副氣囊放氣次數(shù);

（5）由試驗(yàn)測得的太陽輻射強(qiáng)度，對地面樣機(jī)熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性研究進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

4結(jié)束語

通過開展新型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)地面樣機(jī)24小時(shí)原理試驗(yàn)研究，得到了不同方案下24小時(shí)地面試驗(yàn)氣囊內(nèi)外溫度的變化及壓力循環(huán)特性，證明了通過超壓氣囊調(diào)節(jié)氣囊壓力的方式是可行的，同時(shí)通過試驗(yàn)也為平流層飛艇選擇合適的升空時(shí)間提供了參考，為后續(xù)開展氦氣壓縮機(jī)選型和能源與動(dòng)力選型計(jì)算與分析提供了有效數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙達(dá)，劉東旭，孫康文，等.平流層飛艇研制現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（1）：50-61.