基于动力学与热力学模型耦合的平流层飞艇上升段航迹研究

论文摘要

近年来,平流层飞艇展现出了巨大的应用价值,受到了人们的广泛关注。平流层飞艇工作在平流层,能够在特定区域上空长时间驻留。同时,平流层飞艇具有较大的载荷能力、较强的生存能力、较低的费用等特点,可以利用平流层飞艇对特定区域进行监视、通信及区域预警。平流层飞艇上升过程是比较复杂的。在平流层飞艇上升过程中,外界大气环境会发生较大的变化,外界环境的变化影响平流层飞艇上升过程的受力情况,同时也影响平流层飞艇与外界环境的热量交换,因此,需要考虑平流层飞艇动力学与热力学的耦合模型来研究平流层飞艇上升段航迹。本文研究的内容分为三个方面:第一,建立了平流层飞艇上升段动力学与热力学模型。动力学模型反映了平流层飞艇上升段受力情况,热力学模型反映出外界环境中太阳辐射、红外辐射及对流换热对平流层飞艇的影响。第二,依据平流层飞艇上升段模型,通过对比平流层飞艇上升过程中考虑不同的热模型、改变平流层飞艇起飞时间、蒙皮材料的比热容及蒙皮材料对太阳直接辐射的吸收率,研究平流层飞艇上升段特性。仿真结果表明:考虑复杂的热模型后,平流层飞艇的蒙皮、主副气囊中气体温度下降明显,超冷现象较为严重,上升所用的时间较长;改变平流层飞艇起飞时间,发现太阳直接辐射对平流层飞艇上升过程影响较大;改变蒙皮材料的性质,发现蒙皮材料的性质在平流层飞艇上升过程中起着重要的作用,同时选择蒙皮材料是设计平流层飞艇时要重点考虑的一个因素。第三,基于平流层飞艇的动力学与热力学模型,以上升时间最短为性能指标,利用Guass伪谱法对平流层飞艇上升段航迹进行了优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 平流层飞艇结构
• 1.3 平流层飞艇研究现状
• 1.3.1 平流层飞艇国内外研究现状
• 1.3.2 平流层飞艇热特性研究现状
• 1.3.3 平流层飞艇航迹优化研究现状
• 1.4 研究中的难点与问题
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 平流层飞艇动力学模型与热力学模型
• 2.1 平流层飞艇的动力学模型
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 坐标系及坐标转换
• 2.1.3 平流层飞艇受力分析
• 2.1.4 平流层飞艇动力学模型
• 2.2 平流层飞艇热力学模型
• 2.2.1 太阳辐射模型
• 2.2.2 外界红外辐射
• 2.2.3 蒙皮与外界环境的对流换热
• 2.2.4 蒙皮对外界的红外辐射
• 2.2.5 蒙皮与主副气囊中气体的对流换热及红外辐射
• 2.2.6 主副气囊气体间的对流换热及红外辐射
• 2.2.7 主副气囊中气体吸收太阳辐射
• 2.2.8 主副气囊中气体吸收外界红外辐射
• 2.3 大气模型
• 2.4 平流层飞艇动力学与热力学模型耦合特性分析
• 2.4.1 平流层飞艇动力学与热力学耦合机理分析
• 2.4.2 大气温度变化对平流层飞艇动力学与热力学模型的影响
• 2.4.3 氦气温度变化对平流层飞艇动力学与热力学模型的影响
• 2.5 本章小节
• 第三章 平流层飞艇上升段特性研究
• 3.1 平流层飞艇动力学模型简化
• 3.2 平流层飞艇上升过程关键影响因素分析
• 3.2.1 不同热模型平流层飞艇上升段特性对比分析
• 3.2.2 不同起飞时间对平流层飞艇上升过程的影响
• 3.2.3 不同蒙皮材料的比热容对平流层飞艇上升过程的影响
• 3.2.4 不同蒙皮材料对太阳辐射吸收率对平流层飞艇上升过程的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于Guass伪谱法的平流层飞艇上升段轨迹优化
• 4.1 引言
• 4.2 Guass伪谱法原理
• 4.2.1 一般问题表达
• 4.2.2 时域变换
• 4.2.3 状态变量及控制变量的插值多项式近似
• 4.2.4 状态微分方程转换为代数约束
• 4.2.5 终端状态约束
• 4.2.6 性能指标近似
• 4.3 基于Guass伪谱法的平流层飞艇上升段轨迹优化
• 4.3.1 平流层飞艇动力学与热力学模型
• 4.3.2 目标函数
• 4.3.3 约束条件
• 4.3.4 平流层飞艇上升时间最短仿真结果
• 4.3.5 仿真结果对比分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要工作
• 5.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果