近空间飞艇热特性与环境控制研究

发布时间：2021-05-11 11:52

　　近空间飞艇相对于传统飞行器具有成本低、滞空时间长等优点,在近几十年受到广泛的关注及发展。近空间飞艇利用氦气等浮升气体和空气之间的密度差保持升空和悬停,飞艇内部气体的压力和温度特性决定了飞艇的起降和滞空的性能。传统近空间飞艇采用空气囊和主氦气囊的组合来调节囊内气体温度改变而导致的压力变化。在调节过程中,随着空气的进出,飞艇的总重量会发生改变,从而使得飞艇高度产生不断的震荡变化甚至失稳。据此,本文提出了一种基于高压氦气瓶储存多余氦气的气囊压力调节方法,可使得飞艇滞空高度保持稳定。其次,飞艇在上升、驻空、下降过程中,内部气体温度的变化是决定飞艇飞行状态的重要因素,而蒙皮表面的对流换热是影响内部浮升气体温度的关键因素之一。然而目前仍缺乏综合考虑浮空器长细比、Re、攻角参数的外部对流换热系数计算的高精度关联式,因此本文发展了一种综合飞艇几何外形和外界空气参数的高精度计算关联式。最后,飞艇载荷舱内部安装了飞艇执行任务所需的主要设备,外界恶劣的环境条件以及内部高热流密度的电子设备工作状态,迫切的需要一套质量轻、结构简单的环境控制系统对其进行环境控制以保证飞艇正常的飞行和工作需求。根据以上认识,本文围... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：119 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 浮空器国内外发展状况
        1.2.1 高空气球的发展状况
        1.2.2 近空间飞艇的发展状况
    1.3 近空间浮空器热环境
        1.3.1 近空间传热条件
        1.3.2 外部稀薄边界的流动和换热
    1.4 近空间浮空器热模型
        1.4.1 临近空间浮空器热模型研究进展
        1.4.2 自然对流与混合对流的模拟研究进展
        1.4.3 近空间浮空器热模型研究进展
    1.5 本文研究内容
第2章 近空间飞艇传热模型
    2.1 大气热环境
        2.1.1 标准大气及温度包线
        2.1.2 太阳辐射
        2.1.3 长波辐射
        2.1.4 空气与氦气热物性
    2.2 飞艇运动模型
    2.3 热模型
        2.3.1 蒙皮热平衡方程
        2.3.2 氦气囊的热平衡方程
        2.3.3 空气囊的热平衡方程
        2.3.4 对流换热
    2.4 本章小结
第3章 飞艇外部换热特性研究
    3.1 计算模型
        3.1.1 物理模型及边界条件
        3.1.2 控制方程
        3.1.3 边界条件设置
    3.2 计算结果验证
        3.2.1 模型及网格划分
        3.2.2 网格无关性测试
        3.2.3 湍流模型选择
    3.3 计算结果与分析
        3.3.1 速度工况
        3.3.2 温度工况
        3.3.3 长细比工况
        3.3.4 攻角工况
        3.3.5 公式拟合
    3.4 本章小结
第4章 飞艇滞空热特性研究
    4.1 飞艇热特性计算方法
        4.1.1 网格单元计算
        4.1.2 程序结构
        4.1.3 龙格库塔算法
        4.1.4 结构外形及计算参数
    4.2 计算结果验证
    4.3 滞空热特性
        4.3.1 定点飞行蒙皮与内部填充气体温度瞬时变化规律
        4.3.2 不同囊体划分情况对内部填充气体的影响
        4.3.3 飞艇朝向对蒙皮和内部填充气体温度的影响
        4.3.4 季节对蒙皮和内部填充气体的影响
        4.3.5 得热量分析
    4.4 蒙皮物性对飞艇热特性的影响
        4.4.1 蒙皮发射率对飞艇热性能的影响
        4.4.2 蒙皮吸收率对飞艇热性能的影响
        4.4.3 吸收发射比对飞艇热性能的影响
        4.4.4 不同蒙皮材料下的飞艇热特性
    4.5 本章小结
第5章 飞艇上升与下降过程热特性研究
    5.1 发射和回收的方式和操作
    5.2 起降过程
    5.3 排气阀防冰设计计算
    5.4 本章小结
第6章 飞艇载荷舱空冷环控系统
    6.1 电子设备舱的整体热设计研究
        6.1.1 电子设备舱传热模型的建立
        6.1.2 定风量情况下传热模型的求解与分析
        6.1.3 变风量情况下传热模型的求解与分析
    6.2 电子设备舱的局部热设计研究
        6.2.1 冷板的换热计算方法
        6.2.2 冷板计算流程图
        6.2.3 定风量情况下的计算与分析
        6.2.4 变风量情况下的计算与分析
    6.3 开放式二氧化碳制冷方案设计
    6.4 二氧化碳气瓶中气体的热计算模型的建立
        6.4.1 二氧化碳质量计算
        6.4.2 二氧化碳制冷剂在气瓶中的状态研究
        6.4.3 状态模型求解
        6.4.4 计算结果与分析
    6.5 制冷量损失计算
        6.5.1 制冷量损失原因及计算方法分析
        6.5.2 制冷量损失的影响因素分析
    6.6 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 本文的研究结论
    7.2 本文创新点
    7.3 后续工作及展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]我国浮空器标准化工作现状与建议[J]. 周家蕤,曾何荣,漆光东.  中国标准化. 2015(07)
[2]我国浮空器的发展与标准现状[J]. 李万明,陶威.  航空标准化与质量. 2012(04)
[3]NASA高空气球的研究及其进展[J]. 田莉莉,方贤德.  航天返回与遥感. 2012(01)
[4]俄罗斯浮空器的历史与发展[J]. 沈雪娈.  国防科技. 2011(03)
[5]临近空间飞行器应用分析与展望[J]. 孙悦,赵和鹏.  无线电工程. 2008(10)
[6]我国浮空器的技术发展与标准需求[J]. 李万明,李继雄,严涵.  航空标准化与质量. 2007(06)
[7]临近空间飞行器研究现状分析[J]. 黄伟,陈逖,罗世彬,王振国.  飞航导弹. 2007(10)
[8]平流层飞艇平台的发展及关键技术分析[J]. 王明建,黄新生.  兵工自动化. 2007(08)
[9]平流层飞艇放飞、回收过程初步分析[J]. 赵攀峰,王永林,刘传超.  航空科学技术. 2007(04)
[10]浅析临近空间平台的军事应用[J]. 何彦峰.  国防科技. 2007(06)



本文编号：3181359