李　輝，何敬宇，孫　娜

(中國(guó)特種飛行器研究所 系統(tǒng)研究室，湖北 荊門 448035)

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平流層飛艇駐空過(guò)程中熱力學(xué)特性及影響因素研究

李輝，何敬宇，孫娜

(中國(guó)特種飛行器研究所 系統(tǒng)研究室，湖北 荊門 448035)

摘要：基于平流層環(huán)境特點(diǎn)，分析了影響平流層飛艇熱平衡的基本熱源和換熱途徑，建立了平流層飛艇氣囊冷熱面以及內(nèi)部氦氣之間熱平衡仿真模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)某概念飛艇進(jìn)行了仿真分析，得出了飛艇氣囊冷熱面以及內(nèi)部氦氣隨時(shí)間變化規(guī)律；采用定量分析方法，重點(diǎn)分析了太陽(yáng)輻射吸收率、紅外輻射發(fā)射率以及空速等因素對(duì)氦氣溫度變化的影響程度及氦氣溫度隨其變化的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，所建立的模型可較好的描述各因素對(duì)氦氣溫度的影響，可為平流層飛艇總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：平流層飛艇；熱特性；仿真模型；總體設(shè)計(jì)

平流層環(huán)境的顯著特點(diǎn)為氣體稀、風(fēng)向穩(wěn)、風(fēng)速低、輻射高。低風(fēng)速、大氣壓力以及大氣密度使得飛艇與周圍大氣之間對(duì)流換熱效率較差，而缺少了大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收及散射，到達(dá)飛艇附近的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度顯得更加強(qiáng)烈。因而，白天飛艇表面及內(nèi)部氣體溫度持續(xù)升高，出現(xiàn)明顯的“超熱”現(xiàn)象；而夜間，飛艇表面與內(nèi)部氣體不斷下降，與周圍大氣溫度基本相近。根據(jù)已有研究成果，平流層飛艇留空時(shí)，內(nèi)部氣體晝夜溫度變化可達(dá)到50度以上[1]。平流層飛艇表面及內(nèi)部氣體晝夜間劇烈的溫度波動(dòng)，直接導(dǎo)致內(nèi)部氣體體積變化，進(jìn)而影響飛艇凈浮力的穩(wěn)定，使飛艇駐空高度發(fā)生非指令性改變。這種改變對(duì)平流層飛艇，特別是長(zhǎng)航時(shí)平流層飛艇，系統(tǒng)性能和指標(biāo)匹配以及全艇可靠性、穩(wěn)定性和可控性均提出了巨大的挑戰(zhàn)。研究平流層飛艇的熱特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)及熱控制，是平流層飛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

美國(guó)自上世紀(jì)70年代開(kāi)始高空飛艇的研究工作，高空飛艇熱問(wèn)題至今都是其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[2-7]，2011年美國(guó)軍方還在其支持的HALE-D高空飛艇飛行演示驗(yàn)證中，就氣囊表面涂層熱控效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。日本在平流層飛艇項(xiàng)目中也非常重視熱問(wèn)題，專門通過(guò)低空飛行試驗(yàn)和平流層飛行試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證與修訂[8]。國(guó)內(nèi)研究者在平流層飛艇熱問(wèn)題方面也相繼開(kāi)展了研究[9-13]，建立了相關(guān)的熱力學(xué)模型，并基于熱力學(xué)模型對(duì)飛艇熱力學(xué)特性進(jìn)行了仿真研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析影響平流層飛艇熱特性的因素，建立了一維瞬態(tài)熱特性通用模型，借助數(shù)值仿真工具，研究平流層飛艇駐空過(guò)程中熱力學(xué)特性，仿真結(jié)果表明，所建立的模型可較好的描述各因素對(duì)氦氣溫度的影響，為平流層飛艇總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1熱源、換熱過(guò)程和熱平衡方程

1.1熱源和換熱過(guò)程

影響平流層飛艇熱特性的熱源包括外部熱源和內(nèi)部熱源兩部分，其中外部熱源包括太陽(yáng)直接輻射、大氣紅外輻射、地球反射太陽(yáng)輻射、大氣-囊皮紅外輻射、地球-囊皮紅外輻射以及囊皮與大氣之間的對(duì)流換熱，內(nèi)部熱源包括囊皮表面之間的輻射和囊皮與內(nèi)部氣體之間的對(duì)流換熱。

平流層飛艇換熱過(guò)程其實(shí)是內(nèi)部換熱和外部換熱的耦合過(guò)程，具體換熱過(guò)程如圖1所示。

圖1　平流層飛艇換熱過(guò)程示意圖

1.2熱平衡方程

將飛艇囊皮劃分為多個(gè)單元，并采用如下假設(shè)：

(1)忽略單元體之間的導(dǎo)熱，把每個(gè)單元體看作是無(wú)窮大平板，且單元體內(nèi)不存在溫度梯度，一個(gè)單元體為一個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)；

(2)單元體表面太陽(yáng)輻射均勻，對(duì)太陽(yáng)輻照的吸收特性均勻；

(3)單元體表面的長(zhǎng)波輻射換熱為灰體輻射換熱；

(4)氣囊內(nèi)部氣體為透明氣體。

則囊皮單元的熱平衡方程為：

(qD+qdH+qr+qs-qca+qga-qE)-qci

(1)

內(nèi)部氦氣熱平衡方程為：

(2)

式中，qD為囊皮吸收的太陽(yáng)直射量，qdH為囊皮吸收的大氣散射太陽(yáng)量，qr為氣囊吸收的地球反射太陽(yáng)量，qs為氣囊吸收的大氣紅外輻射量， qga為氣囊吸收的地球紅外輻射量，qca為囊皮與外部大氣對(duì)流換熱量，qci為囊皮與內(nèi)部氣體之間對(duì)流換熱量，qE為囊皮紅外輻射量(W)；mi為單位面積的囊皮質(zhì)量，mhe為氦氣質(zhì)量(kg)；cp為囊皮的定壓比熱，cν,he為氦氣的定容比熱(J/kg/K)；Ti為囊皮單元的溫度，The為氦氣溫度(K)；phe為氦氣絕對(duì)壓力(Pa)；Vhe為氦氣體積(m3)。

qD=IDN·A·α

(3)

qdH=IdH·A·α

(4)

qr=α·Ir·A

(5)

qs=ε·Is·A

(6)

qga=ε·Iga·A

(7)

qE=IE·A

(8)

qca=hca·(Ti-Tair)·A

(9)

qci=hci·(Ti-The)·A

(10)

式中，IDN為太陽(yáng)直射強(qiáng)度，IdH為大氣散射太陽(yáng)強(qiáng)度，Ir為地球反射太陽(yáng)強(qiáng)度，Is大氣紅外輻射強(qiáng)度，Iga地球紅外輻射強(qiáng)度，IE囊皮自身紅外輻射強(qiáng)度(W/m2)；ε為囊皮紅外發(fā)射率，α為囊皮對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，hca球體外部對(duì)流換熱系數(shù)，hci為內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)，無(wú)量綱；Tair外界大氣溫度(K)。

1.3輻射換熱模型

到達(dá)囊皮的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與太陽(yáng)輻射能Isum和大氣對(duì)太陽(yáng)輻射透射率τatm有關(guān)。

IDN=Isum·τatm

(11)

(12)

(13)

(14)

式中，Isum為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)； τatm為大氣對(duì)太陽(yáng)輻射透射系數(shù)，無(wú)量綱；e為軌道偏心率，取e=0.016708；M為大氣質(zhì)量比率；δ為日角，其定義為近日點(diǎn)為0°，每天增加0.98°。Pa為計(jì)算高度的大氣壓力，p0為地球表面大氣壓力(Pa)；θ為太陽(yáng)高度角(deg)。

飛艇附近大氣對(duì)太陽(yáng)散射強(qiáng)度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角、大氣質(zhì)量比率以及大氣對(duì)太陽(yáng)輻射透射系數(shù)有關(guān)：

(15)

式中，各參數(shù)定義與前面相同。

地球反射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與地球反射率、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角以及大氣散射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等因素有關(guān)：

Ir=rm·(Isum·sinβ+IdH)

(16)

式中，rm為地球反射率，無(wú)量綱；其余參數(shù)定義與前面相同。

大氣紅外輻射強(qiáng)度與斯忒番-波爾茲曼常數(shù)、天空等效溫度等因素有關(guān)：

Is=σ·Tsky-H

(17)

(18)

Tsky-sea=0.0552·Tgro1.5

(19)

式中，σ為斯忒番-波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67·e-8W/m2K4；Tsky-H為海拔高度H處的天空等效溫度，Tsky-sea為海平面處天空等效溫度， Tgro為地球溫度(K)。

地球紅外輻射強(qiáng)度與地球?qū)崟r(shí)溫度、斯忒番-波爾茲曼常數(shù)、地球紅外輻射發(fā)射率、大氣對(duì)地球紅外輻射透射率等因素有關(guān)。

Iga=εg·τIR-atm·Tgro4

(20)

(21)

式中，εg為地球紅外輻射發(fā)射率，一般取0.95，沙漠地表取0.86，水面取0.97；τIR-atm為大氣對(duì)地球紅外輻射透射率，均為無(wú)量綱；其余參數(shù)定義與前面相同。

囊皮紅外輻射強(qiáng)度與斯忒番-波爾茲曼常數(shù)和囊皮溫度有關(guān)。

IE=σ·Tfilm4

(22)

式中，Tfilm為囊皮的溫度(K)；其余參數(shù)與前面相同。

1.4對(duì)流換熱模型

對(duì)于飛艇而言，根據(jù)大氣風(fēng)速和飛艇附近的流場(chǎng)特性，氣囊表面與環(huán)境大氣之間的對(duì)流換熱有時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)迫對(duì)流換熱，有時(shí)表現(xiàn)為自然對(duì)流換熱。

一般來(lái)說(shuō)，在飛艇上升和下降階段，氣囊外表面與大氣之間的換熱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱；當(dāng)飛艇定點(diǎn)懸停且風(fēng)速較小時(shí)，氣囊外表面與大氣之間的換熱為自然對(duì)流換熱；當(dāng)飛艇定點(diǎn)懸停但風(fēng)速較大時(shí)，氣囊外表面與大氣之間的換熱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。通常認(rèn)為，飛艇在平流層飛行過(guò)程中，氣囊與周圍大氣的換熱屬于強(qiáng)迫對(duì)流換熱。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)與流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re有關(guān)。當(dāng)流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re≤105時(shí)，囊皮與大氣之間換熱系數(shù)hca為：

(23)

當(dāng)流場(chǎng)的雷諾數(shù)105≤Re≤108時(shí)，囊皮與大氣之間換熱系數(shù)hca為：

(24)

式中，Prair為飛艇所在高度大氣的普朗特?cái)?shù)，λair為飛艇所在高度大氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；D為飛艇特征長(zhǎng)度，一般取飛艇體積的1/3次方，(m)。

一般認(rèn)為氣囊與內(nèi)部氣體之間存在的對(duì)流換熱為自然對(duì)流換熱。

(25)

式中，Nu為氣體的努塞爾數(shù)，無(wú)量綱；λgas為氣囊內(nèi)部氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；其余參數(shù)與前面相同。

通過(guò)對(duì)平流層飛艇換熱過(guò)程以及熱平衡方程的分析可知，飛艇內(nèi)部氣體產(chǎn)生超熱的影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素兩部分。其中，內(nèi)部因素主要包括氣囊材料熱物性參數(shù)、浮升氣體的熱物性參數(shù)以及飛艇外形尺寸等；外部因素主要包括太陽(yáng)輻射、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射散射、地球?qū)μ?yáng)輻射的反射、大氣紅外輻射、地球紅外輻射以及氣囊與大氣對(duì)流換熱等。目前，通過(guò)改變飛艇周圍大氣熱環(huán)境改善飛艇內(nèi)部氣體超熱狀況是不實(shí)際的，故在平流層飛艇外形尺寸確定的前提下，通過(guò)改變氣囊材料熱物性參數(shù)以及氣囊與外界環(huán)境的對(duì)流換熱量來(lái)改善飛艇內(nèi)部氣體超熱狀態(tài)是當(dāng)前較為可行的方法。

2仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述模型，建立飛艇一維瞬態(tài)熱力學(xué)模型及仿真計(jì)算方法，分析平流層飛艇駐空過(guò)程中氣囊和內(nèi)部氣體溫度變化規(guī)律，以及平流層環(huán)境下氣囊材料熱物性參數(shù)和空速對(duì)飛艇內(nèi)部氣體溫度變化的影響。

2.1駐空過(guò)程中氣囊及內(nèi)部氣體溫度變化規(guī)律

計(jì)算初始條件：飛艇長(zhǎng)度221m，長(zhǎng)細(xì)比為5，內(nèi)部浮升氣體為氦氣，20km高度駐空時(shí)氦氣體積為296 252m3。飛艇留空地點(diǎn)為北緯30.5°，東經(jīng)112°，海拔20km。仿真時(shí)間為6月21日，周期為一天24小時(shí)，大氣溫度為216.5K。

氣囊熱物性參數(shù)：氣囊表面太陽(yáng)吸收率為0.259，地球反照率為0.2，氣囊紅外發(fā)射率為0.86，地球紅外發(fā)射率為0.95，空速3.6m/s。

圖2　氣囊表面及內(nèi)部氣體溫度晝夜變化曲線

圖2為北緯30.5°、東經(jīng)112°地區(qū)夏至?xí)r平流層飛艇氣囊表面及內(nèi)部氦氣一個(gè)晝夜內(nèi)溫度變化的仿真結(jié)果。在當(dāng)日23點(diǎn)至次日6點(diǎn)前無(wú)太陽(yáng)輻射和地球反照輻射，平流層飛艇氣囊及內(nèi)部氦氣的溫度在紅外輻射與對(duì)流換熱的共同作用下處于平衡狀態(tài)，氣囊下表面直接接收地球紅外輻射，其溫度較高，約為220.6K；由于氣囊下表面對(duì)地球紅外輻射的透射率較低，氣囊上表面接收地球紅外輻射較少，故其溫度低于下表面溫度，約為217.5K；內(nèi)部氣體在氣囊上下表面的共同作用下，約為218.9K；三者溫度均稍高于周圍大氣溫度，處于弱超熱狀態(tài)。

從當(dāng)日6點(diǎn)至當(dāng)日18點(diǎn)(白天)，飛艇氣囊表面及內(nèi)部氣體受到太陽(yáng)輻射的顯著影響，整體溫度變化較劇烈；其中氣囊上表面受太陽(yáng)直接輻射影響，溫升溫降速率最快，最高溫度達(dá)到245.5K，增幅為28.2℃；之后隨太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度減小，溫度逐步降低，在當(dāng)日18點(diǎn)左右，溫度降至229K，降幅為16.5℃；在當(dāng)日18點(diǎn)至當(dāng)日23點(diǎn)(夜晚)，平流層飛艇雖然不再接受太陽(yáng)輻射，但由于大氣吸收的太陽(yáng)輻射能量并未完全釋放，大氣紅外輻射對(duì)氣囊上表面溫降速率起到了一定的延緩作用，在夜晚23點(diǎn)才達(dá)到最低值217.5K，隨后達(dá)到平衡。

從當(dāng)日6點(diǎn)至當(dāng)日18點(diǎn)(白天)，氣囊下表面在地球反照太陽(yáng)輻射、地球紅外輻射和大氣散射太陽(yáng)輻射的綜合作用下，其溫度亦同步發(fā)生改變，其溫升溫降速率相對(duì)最慢；正午附近，溫度達(dá)到最高為246.6K，增幅為26℃，之后隨地球反照太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小，氣囊下表面溫度逐步降低，在當(dāng)日18點(diǎn)左右，溫度降至231.2K，降幅為15.4℃；在當(dāng)日18點(diǎn)至當(dāng)日23點(diǎn)(夜晚)，平流層飛艇雖然不再接收太陽(yáng)輻射，但由于地球及大氣吸收的太陽(yáng)輻射能量并未完全釋放，地球及大氣紅外輻射對(duì)氣囊下表面溫降速率起到了一定的延緩作用，在夜晚23點(diǎn)才達(dá)到最低值220.6K，隨后達(dá)到平衡。

內(nèi)部氣體在上下囊皮共同作用下，溫度亦同步發(fā)生改變。在正午附近，內(nèi)部氣體溫度達(dá)到最大為246K，增幅為27.1K；當(dāng)日18點(diǎn)，氦氣溫度下降至230.7K，降幅為15.3K；當(dāng)日23點(diǎn)，氦氣溫度達(dá)到最低為218.9K，隨后達(dá)到平衡。

2.2太陽(yáng)輻射吸收率對(duì)氦氣溫度變化影響分析

氣囊表面太陽(yáng)吸收率α分別取0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，其余參數(shù)取值同2.1節(jié)，飛艇內(nèi)部氦氣溫度隨太陽(yáng)輻射吸收率變化的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1及圖3。

表1　不同太陽(yáng)輻射吸收率下氦氣溫度

圖3氦氣晝夜溫度隨太陽(yáng)輻射吸收率變化曲線

由表1及圖3可知，飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨太陽(yáng)輻射吸收率增加而增大，且增幅呈遞減趨勢(shì)。囊皮表面太陽(yáng)輻射吸收率由0.1增至0.5時(shí)，氣囊內(nèi)氣體晝夜溫差幅值增大了35.8K。出現(xiàn)上述變化的原因在于，太陽(yáng)輻射吸收率越小，氣囊表面吸收的太陽(yáng)輻射能量就越小，單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫度上升速率就越慢，氦氣溫度晝夜波動(dòng)就越小。

氦氣晝夜溫度變化趨勢(shì)一致。當(dāng)日23點(diǎn)至次日6點(diǎn)(夜晚)，由于無(wú)太陽(yáng)輻射，氣囊內(nèi)部氦氣溫度在輻射換熱和對(duì)流換熱的共同作用下，基本保持平衡狀態(tài)，維持在218.9K；在當(dāng)日6點(diǎn)至當(dāng)日18點(diǎn)，由于太陽(yáng)輻射作用，氣囊內(nèi)部氦氣溫度發(fā)生劇烈變化，氣囊材料的太陽(yáng)輻射吸收率越大，單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫升速率就越大，氦氣溫度峰值就越高，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值處附近，氦氣溫度同步達(dá)到最高，之后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，氦氣溫度同步降低，太陽(yáng)輻射吸收率越大，單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫降速率就越大，但并未達(dá)到最低。在當(dāng)日18點(diǎn)至當(dāng)日23點(diǎn)，雖然沒(méi)有太陽(yáng)輻射，但對(duì)流換熱和紅外輻射換熱還在持續(xù)作用，氦氣溫度下降趨勢(shì)逐漸放緩，在當(dāng)日23點(diǎn)達(dá)到最低，并保持平衡。

2.3紅外發(fā)射率對(duì)氦氣溫度變化影響分析

氣囊表面紅外發(fā)射率ε分別取0.2、0.4、0.6和0.8，其余參數(shù)取值同2.1節(jié)，飛艇內(nèi)部氦氣溫度隨太陽(yáng)吸收率變化的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及圖4。

表2　不同紅外發(fā)射率下氦氣溫度

圖4氦氣晝夜溫度隨紅外發(fā)射率變化曲線

由表2及圖4可知，飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨紅外發(fā)射率增大而減小，且減幅基本呈線性遞減趨勢(shì)。囊皮表面紅外發(fā)射率由0.2增至0.8時(shí)，氣囊內(nèi)氣體晝夜溫差幅值降低了3K。出現(xiàn)上述情況的原因是氣囊紅外發(fā)射率越大，艇體向外部環(huán)境發(fā)出的熱流就越多，從而使氦氣溫升速率較慢，氦氣晝夜溫差就越小。

氦氣晝夜溫度變化趨勢(shì)一致。當(dāng)日23點(diǎn)至次日6點(diǎn)(夜晚)，由于無(wú)太陽(yáng)輻射，氣囊內(nèi)部氦氣溫度在輻射換熱和對(duì)流換熱的共同作用下，基本保持平衡狀態(tài)，紅外發(fā)射率越大，其平衡狀態(tài)下氦氣溫度越高；在當(dāng)日6點(diǎn)至當(dāng)日18點(diǎn)，由于太陽(yáng)輻射作用，氣囊及其內(nèi)部氦氣溫度發(fā)生劇烈變化，氣囊紅外發(fā)射率越大，氦氣同步溫升速率就越小，氦氣溫度峰值就越小，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值處附近，氦氣溫度同步達(dá)到最高，之后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，氦氣溫度同步降低，氣囊紅外發(fā)射率越大，單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫降速率就越小，但并未達(dá)到最低。在當(dāng)日18點(diǎn)至當(dāng)日23點(diǎn)，雖然沒(méi)有太陽(yáng)輻射，但對(duì)流換熱和紅外輻射換熱還在持續(xù)作用，氦氣溫度下降趨勢(shì)逐漸放緩，紅外發(fā)射率越大，其單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫降速率就越小，平衡位置處氦氣溫度就越高，在當(dāng)日23點(diǎn)達(dá)到最低，并保持平衡。

2.4空速對(duì)氦氣溫度變化影響分析

飛艇空速V分別取3m/s、6m/s、9m/s、12m/s以及15m/s，其余參數(shù)取值同2.1節(jié)，飛艇內(nèi)部氦氣溫度隨空速變化的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3及圖5。

表3　不同空速下氦氣溫度

圖5氦氣晝夜溫度隨空速變化曲線

由表3及圖5可知，飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨飛艇空速的增加而減小，且減幅呈遞減趨勢(shì)。飛艇空速由3m/s增加至15m/s，氣囊內(nèi)部氦氣晝夜溫差幅值降低了19.9K。出現(xiàn)上述情況的原因在于，飛艇空速越大，飛艇氣囊與外部大氣的對(duì)流換熱越多，單位時(shí)間內(nèi)氦氣上升速率就越慢，氦氣溫度晝夜波動(dòng)就越小。

氦氣晝夜溫度變化趨勢(shì)一致。當(dāng)日23點(diǎn)至次日6點(diǎn)(夜晚)，由于無(wú)太陽(yáng)輻射，氣囊內(nèi)部氦氣溫度在輻射換熱和對(duì)流換熱的共同作用下，基本保持平衡狀態(tài)，飛艇空速越大，飛艇與外部大氣對(duì)流換熱越多，其平衡狀態(tài)下氦氣溫度越低。在當(dāng)日6點(diǎn)至當(dāng)日18點(diǎn)，由于太陽(yáng)輻射作用，氣囊及其內(nèi)部氦氣溫度發(fā)生劇烈變化，飛艇空速越大，氣囊與大氣對(duì)流換熱能量越多，單位時(shí)間內(nèi)氣囊溫升速率越小，氦氣同步溫升速率就越小，氦氣溫度峰值就越小。在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值處附近，氦氣溫度同步達(dá)到最高，之后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，氦氣溫度同步降低，飛艇空速越大，氦氣溫降速率越小，但并未達(dá)到最低。在當(dāng)日18點(diǎn)至當(dāng)日23點(diǎn)，雖然沒(méi)有太陽(yáng)輻射，但對(duì)流換熱和紅外輻射換熱還在持續(xù)作用，氦氣溫度下降趨勢(shì)逐漸放緩，飛艇空速越大，單位時(shí)間內(nèi)氦氣溫降速率就越小，在當(dāng)日23點(diǎn)達(dá)到最低，并保持平衡。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)影響平流層飛艇熱平衡的基本熱源及換熱途徑進(jìn)行分析，找出影響飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差變化的主要因素；基于構(gòu)建的熱仿真模型及某概念飛艇總體參數(shù)，對(duì)平流層飛艇駐空過(guò)程中熱特性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)太陽(yáng)輻射及其由此產(chǎn)生的地球反射輻射是影響平流層飛艇(主要指氣囊及內(nèi)部氦氣)溫度劇烈波動(dòng)的關(guān)鍵因素(本文算例中，飛艇在駐空期間內(nèi)部氦氣晝夜溫度波動(dòng)達(dá)27.1K)，由于上下囊皮熱環(huán)境有明顯差別，其溫度變化存在顯著差異。其中，氣囊上表面晝夜溫差最大，內(nèi)部氦氣次之，下表面最小。

(2)飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨氣囊材料太陽(yáng)輻射吸收率增加而增大，且增幅呈遞減趨勢(shì)。

(3)飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨氣囊材料紅外發(fā)射率增大而減小，且呈線性遞減趨勢(shì)。

(4)飛艇內(nèi)部氦氣晝夜溫差隨飛艇空速的增加而減小，且減幅呈遞減趨勢(shì)。

(5)氣囊熱物性對(duì)飛艇內(nèi)部氦氣溫度變化有著重要影響，減小氣囊對(duì)太陽(yáng)輻射吸收率和增加氣囊紅外發(fā)射率可有效減小氣囊及內(nèi)部氦氣晝夜溫差。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐向華,程雪濤,梁新剛.平流層浮空器的熱數(shù)值分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,49(11):1848-1851.

[2] MORRIS A L.Scientific Ballooning Handbook[Z].Boulder,Colorado:NGAR Technical Note,USA,1975.

[3] GARDE G.Thermal modeling of NASA’s super pressure pumpkin balloon[C]//AIAA Ballon Sysetems Conference.May 21-24,2007.Williamsburg:2630.

[4] CHO C,RAQUE S M.Influence of the infrared radiation on a high altitude scientific balloon[J].AIAA JOURNAL,2002.

[5] LEW T M,GRANT D.Gas temperature control for long duration balloons[J].Advances in Space Research,2004(21):979-982.

[6] SPENCER S,CLARK D,PARNELL T.A simplified approach to generating radiation heat loads for high altitude balloon flights[J].AIAA JOURNAL,1994.

[7] CATHEY J H M.Scientific balloon effective radiative properties[J].Advances in Space Research,1998,21(7):979-982.

[8] HARADA K,EGUCHI K,SANO M,et a1.Experimental study of thermal modeling for stratospheric platform airships[C].AIAA’s 3rd Annual Aviation Technology,Integration,and Operations (AITO)Tech.November 17-19,2003.Denver,Colorado.

[9] 姚偉,李勇,范春石,等.復(fù)雜熱環(huán)境下平流層飛艇高空駐留熱動(dòng)力學(xué)特性[J].宇航學(xué)報(bào),2013,34(10):1309-1315.

[10] 方賢德,王偉志,李小建.平流層飛艇熱仿真初步探討[J].航天返回與遙感,2007,28(2)：5-9.

[11] 夏新林,李德富,楊小川.平流層浮空器的熱特性與研究現(xiàn)狀[J].航空學(xué)報(bào),2009,30(4):577-583.

[12] YANG C X,WANG Y W,Thermal analysis of stratospheric airship in working process[R].AIAA Ballon Sysetems Conference.May 4-7,2009.Seattle,Washington:2805.

[13] 程雪濤,徐向華,梁新剛.低空環(huán)境中浮空器的熱數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].宇航學(xué)報(bào),2010,31(10):2417-2421.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：東艷]

Research on Thermal Performance of a Stratospheric Airship at High-Altitude Station-Keeping Conditions

LIHui,HEJing-Yu,SUNNa

(No.9 Research Lab,China Special Vehicle Research Institute,Jingmen 448035,China)

Abstract：Based on the characteristics of stratospheric environment,this paper analyzes heat sources and heat exchange patterns that affect thermal balance and thermal performance of stratospheric airships.And thermal simulation program is developed about it. Simulation of a concept stratospheric airship is carried out,and the varying laws of temperature are drawn with Matlab platform.The relationship between the helium temperature and factors,such as solar radiation infrared radiation and surround air speed,is analyzed by using the method of quantitative analysis.The simulation results suggest that the model can exactly describe the influences of each factor on helium temperature,and thus making itself a theoretical basis for the overall design of stratospheric airship.

Key words：stratospheric airship;thermal performance;simulation model;overall design

中圖分類號(hào)：V274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)01-0007-06

作者簡(jiǎn)介：李輝(1982-)，男，河南駐馬店人，工程師，從事浮空器總體及壓力控制研究。

收稿日期：2015-12-20