平流层飞艇鼓风机设计及特性研究

发布时间：2020-07-22 13:00

【摘要】：平流层飞艇为实现其长期驻空和可重复使用,需要可靠有效的环控系统实现其在升降及驻空阶段的形态和压差,该系统可称为飞艇的“呼吸系统“。鼓风机是环控系统中的关键部件,其实现将外界环境的空气鼓入超压囊体的功能。平流层飞艇使用的鼓风机需要抵抗几百帕的压差,另外在20km高空,大气密度很低,这些方面与常规鼓风机存在显著差别,故需要针对平流层飞艇所使用的鼓风机进行研究和设计。本文以平流层飞艇所使用的鼓风机为研究对象,对其进行了设计,并对其高低空性能进行分析研究。建立了基于半经验公式的离心和轴流鼓风机初步设计分析方法,然后使用Cfturbo和Pumplinx软件对设计的鼓风机进行模拟仿真,分析其高低空性能,为平流层飞艇鼓风机的进一步研究打下基础。论文主要工作如下:首先,针对平流层飞艇降落时对鼓风机的需求进行了分析,基于标准大气环境模型,针对典型平流层飞艇下降过程对鼓风机的总体积流量与下降速度和高度之间的关系进行了分析,并得出了飞艇整个下降过程鼓风机需要的总能量,给出平流层飞艇可用鼓风机类型及其特点。其次,建立了离心鼓风机一维特性分析方法,通过离心鼓风机的几何参数和鼓风机各组成部分的能量损失之间的关系,形成了鼓风机特性的一维分析方法,并通过具有详细几何参数和实验数据的泵对形成的方法的有效性和精度进行了验证。所形成的估算方法可快速准确地给出离心鼓风机在特定几何参数和工况下的特性,可作为离心鼓风机初步设计的工具。对于轴流鼓风机,给出了基于孤立叶型设计法,设计了可满足高空特定平流层飞艇下降需求的轴流鼓风机,并且使用Cfturbo软件对其进行建模,得出其三维模型。接着,给出针对鼓风机设计可采用的高精度的建模工具-CFturbo,和CFD数值求解方法-PumpLinx。这两个软件可实现鼓风机数模到数值求解的无缝连接,从而可快速生成流场网格、流场计算、后处理并验证是否能达到要求等步骤。通过标模泵对建模及数值分析方法进行了验证。最后,根据两万米高空下特定的工况,设计了离心鼓风机和轴流鼓风机,并对其驻空特性以及下降过程的特性进行了详细的分析。得出以下结论:这两类鼓风机在输入功率和压差一定的条件下,鼓风机的效率(不考虑电机效率变化)和实际体积流量会随高度的降低而减小;随着高度的降低,鼓风机的流量系数逐渐增大,压力系数逐渐降低,功率系数和效率也会逐渐降低。但其所对应的鼓风机的比转数在逐渐增大。另外,还对这两类鼓风机的几何参数进行了敏感度分析,通过鼓风机几何参数敏度分析得出影响鼓风机特性的关键参数及其影响规律,可为离心式鼓风机的优化设计提供参考。另外,根据以上两种鼓风机的设计及分析,比较两种风机的优缺点,为平流层不同需求的飞艇对风机选择提供了基础。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V274
【图文】：

平流层,飞艇,大气层,对流层

上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1 研究背景及研究意义1.1.1 课题背景上世纪七十年代，人类慢慢开始对飞艇进行大量的研究，同时由研究低空飞艇慢慢也研究高空飞艇（平流层区域）。平流层飞艇在军用和民用方面都具有重大意义。在军用方面，它可以为军事提供通信、导航、预警、侦查等。在民用方面，如图 1-1 所示[1]，平流层飞艇可以代替卫星进行电视转播，监视，通讯，实验等。所以，不论是从民用方面还是从军用方面，高空飞艇都能起到巨大的作用。可以豪不夸大的说：临近空间资源丰富，谁先用了该技术，谁就拥有了临近空间的资源。

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图 1- 2 大气分层和各相飞行器Fig.1-2 Atmospheric stratification and related aircraft at all levels平流层飞艇作为高空浮空器的典型代表，受到各国的关注及研究。另外，平流层飞艇还包含能源系统、推进系统、飞控系统、环控系统以及载荷系统等。平流层飞艇一般都会配有太阳能电池，以为其动力系统提供电能。平流层飞艇相比于其他飞行器具有无可替代的优点：（1）平流层飞艇具有区域优势，20km 到 50km 高空大气环境相对比较稳定，而且一般的飞机无法达到此高度，卫星在 100km 以上的区域，故此区域空间比较大，资源丰富。（2）滞空时间长。平流层飞艇是依据浮力原理，依靠净浮力与自身重量相平衡的状态悬浮在空中，仅需相对较少的动力抗风及机动飞行，设计工作时长可达数月乃至数年。（3）覆盖面积广。平流层飞艇是在距地面 20 公里的高度驻空执行任务的，相比于飞机而言高度高、视野广。

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飞艇发展现状，人类对平流层的关注也越来越多，世界各流之中。期，美国等一些发达国家就投入了大量的人研发。在军事方面，美国研发的有“高空飞艇tinel）项目等[15-17]。AA）项目如图 1-3 所示[18]，此飞艇的主要任导弹。此飞艇的设计目标是在两万米高空能检测，后期也可以装备武器系统。此项目由美洛·马公司对制造完成的演示样机 HALE-D 进行高度时出现技术异常（空气阀门结冰无法正常长 73.2m，体积 14150m3，设计飞行高度 182，留空时间 15 天。

【参考文献】