多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28451

Abstract

Abstract:

Based on the urgent demand for multi-element coupled simulation and long-endurance capacity assessment of multi-capsule near-space airship， this paper describes six-degree-of-freedom position and attitude dynamics model， environmental thermodynamic model， inner-outer capsule thermodynamic model， and capsule helium loss model of multi-capsule near-space airships in detail. The dynamic and thermal coupling for the platform are realized through dynamic output information （e.g.， position， time， attitude and airspeed） and thermodynamic output information （e.g.， pressure forming volume and helium mass）， which can fully reflect the dynamic and thermal coupled rule of airships under atmospheric environment and the effect of operation， and reveals the quantitative long-endurance assessment ability for airships under the safety of overheat and overpressure. Through simulation， it is found that the maximum overheat of helium in the capsule reaches about 55 ℃ in the condition of floating with wind. To ensure the pressure safety of the internal and external capsule during the day， helium should be released actively， which leads to the flight altitude increase of approximately 100 m. At night， the pressure in the capsule will reach 0 Pa， and the buoyancy and the shape cannot be maintained， causing a rapid decrease of floating altitude，intensified attitude oscillation， and the floating duration of 26.5 h only. In addition， airships cannot achieve stable course flight with full power flight，and the airspeed inflow cooling cannot be maximized. A control system needs to be connected to achieve dynamic closed-loop route flight， so as to realize long-endurance flight， which has important engineering application value.

Key words: dynamics modeling, thermodynamic modeling, helium leak modeling, long-endurance capability assessment, near space airship, multi-element coupling

CLC Number:

V274

Zhiguang SHI, Yujie YANG, Zongyu ZUO. Multi-element coupled modeling and simulation for multi-capsule near-space airships[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 228451-228451.

Figures/Tables 13

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Table 1

Exterior capsule unit surface space geometry

名称	计算公式	说明
单元面中心点	$x c, y c, z c$	$x c 、 y c 、 z c$ 分别为中心点坐标
单元面中心外法向量	$x c a 02, y c b 02, z c c 02$	$x c 、 y c 、 z c$ 分别为中心点坐标
单元面梯度线方向向量	$x n z n, y n z n, - x n 2 - y n 2$	$x n 、 y n 、 z n$ 分别为方向坐标
单元面倾斜角	$π 2 - a r c t a n z n x n 2 + y n 2$	范围0°~180°，单元面正面朝上为0°，正面朝下为180°
单元面方位角	$a t a n 2 (- x n, y n)$	范围-180°~180°，单元面正面朝北为0°，向西偏转为正

Table 1

Table 2

Calculation of convective heat transfer coefficient of skin

气体

飞艇气囊示意图

对流换热系数计算

大气

（外表面）

自然对流： $N u N = 2 + 0.6 R a a t m 0.25, R a a t m < 109$

强迫对流： $N u F = 0.029 6 R e 0.8 P r 0.6$

$h F - a t m = N u N 3 + N u F 3 1 / 3 λ a t m / l F$

（内表面）

$h i - H e = 2.5 λ H e l i 2 + 0.6 R a H e 0.25 R a H e < 1.5 × 108 0.325 λ H e l i R a H e 1 / 3 R a H e > 1.5 × 108$

$i = F 或 f$ ， $F$ 为外囊体蒙皮， $f$ 为超压内囊蒙皮

（内表面）

h f - h e = 2.5 λ h e l f 2 + 0.6 R a h e 0.25 R a h e < 1.5 × 108 0.325 λ h e l f R a h e 1 / 3 R a h e > 1.5 × 108

Table 2

Table 3

Calculate arrival projection intensity H of skin

分类

（加粗部分蒙皮）

辐射换热计算

接触外界

$H F = S R + I R g n d + I R a t m$

（太阳辐射和地气红外辐射）

不接触外界

（除上面蒙皮外的其他飞艇蒙皮）

H f k = ∑ f J f χ f - f k

Table 3

Table 4

Calculation of specific radiation intensity of each skin

辐射	内侧		外侧
离开辐射	He	$J f 1 k = ε I R, f σ T f 1 k 4 + τ H F 1 k + ρ H f 1 k$	atm	$J F 1 k = ε I R, f σ T F 1 k 4 + τ H f 1 k + ρ H F 1 k$
抵达投射	He	$H f 1 k = ∑ f 1 J f 1 χ f 1 - f 1 k + ∑ F 3 J F 3 χ F 3 - f 1 k + ∑ F 4 J F 4 χ f 4 - f 1 k$	atm	$H F 1 k = P S R, F 1 k + P I R g n d, F 1 k + P I R a t m, F 1 k$
离开辐射	he	$J f 3 k = ε I R, f σ T f 3 k 4 + τ H F 3 k + ρ H f 3 k$	He	$J F 3 k = ε I R, f σ T F 3 k 4 + τ H f 3 k + ρ H F 3 k$
抵达投射	he	$H f 3 k = ∑ 自身 f 3 J f 3 χ f 3 - f 3 k$	He	$H F 3 k = ∑ f 1 J f 1 χ f 1 - F 3 k + ∑ F 3 J F 3 χ F 3 - F 3 k + ∑ F 4 J F 4 χ F 4 - F 3 k$

Table 4

Table 5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

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序号	参数名称	取值	单位
1	平衡高度大气密度ρ	0.088	kg/m³
2	平衡高度重力加速度g	9.81	m/s²
3	外囊体微孔当量直径	4	mm
4	外囊体阀门通径	200	mm
5	飞行日期	夏至日0时
6	飞艇重总m	9 068	kg
7	飞艇对x轴转动惯量I_x	9.4×10⁶	kg·m²
8	飞艇对y轴转动惯量I_y	2.1×10⁶	kg·m²
9	飞艇对z轴转动惯量I_z	8.8×10⁶	kg·m²
10	飞艇对yz轴转动惯性积I_yz	-5.7×10⁴	kg·m²
11	重心坐标［x_g，y_g，z_g ］^T	［0，0，-1］^T	m
12	1#螺旋桨坐标［x_T，y_T₁，0］^T	［23，33，0］^T	m
13	2#螺旋桨坐标［-x_T，y_T₁，0］^T	［-23，33，0］^T	m
14	3#螺旋桨坐标［0，y_T₂，0］^T	［0，-74，0］^T	m
15	蒙皮材料太阳光吸收率	0.13
16	蒙皮材料红外发射率	0.65
17	蒙皮材料红外反射率	0.34
18	蒙皮材料红外透射率	0.01
19	蒙皮材料厚度	0.2	mm
20	蒙皮材料密度	628	kg/m³
21	蒙皮材料热容	1 060	J/（kg·K）
22	蒙皮材料导热系数	0.108	W/（m·K）
23	外囊体安全压差上限	400	Pa
24	调压内囊体安全压差上限	2 100	Pa

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