大气环境对平流层飞艇驻空高度的影响研究

摘要

平流层飞艇是一种平均密度与空气相当的临近空间的低速飞行器，具有驻空时间长、安全性高、成本低且能重复利用等特点，在通讯、勘探、运输及军事监测、高空预警等方面均拥有其他飞行器无法超越的优势。平流层飞艇的广泛应用前景受到了世界各国的高度关注，飞艇技术也因此成为飞行器研究领域中热门的研究方向。由于平流层飞艇长时间在高空工作，将不可避免的受外界大气环境昼夜变化等因素的影响，驻空高度也会随之发生一定的变化，故研究外界大气环境昼夜变化对平流层飞艇驻空高度的影响具有一定的理论意义。
　　本文主要研究了大气环境对平流层飞艇驻空高度的影响。第一，建立了平流层飞艇驻空期间的大气环境模型。首先介绍了标准大气模型下大气参数（温度、压强、密度）随高度的变化情况，然后根据一系列实测数据拟合出大气参数的昼夜变化规律，并与标准大气参数变化规律相结合，得到考虑大气参数昼夜变化影响的大气模型。第二，建立了平流层飞艇驻空期间的传热学模型。传热学模型包括太阳直接辐射、地面反射辐射、地气红外辐射以及飞艇内表面与内部气体间的对流换热、飞艇外表面与外部气体之间的对流换热、飞艇内表面之间的辐射换热等，其中，利用地面反射辐射角系数的计算方法改进了地面反射辐射热流量的计算，将地面反射辐射角系数拟合成网格微元面与地面外法线夹角与飞艇高度的函数，简化了计算。最后，基于Matlab对平流层飞艇的驻空过程进行仿真，结果表明考虑大气参数昼夜变化对飞艇定点高度有较大的影响，需要从设计和控制的角度进行解决，为进一步研究平流层飞艇驻空期间的定点控制和总体参数设计提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 平流层信息平台的提出

1．1．2 平流层飞艇的优势

1．1．3 平流层飞艇的应用领域

1．2 国内外发展现状综述

1．3 研究意义

1．4 本文主要工作及论文结构

第二章 平流层飞艇飞行环境模型

2．1 标准大气模型

2．1．1 大气模型发展史

2．1．2 标准大气模型下大气参数的变化

2．2 考虑大气参数昼夜变化影响的大气模型

2．2．1 实测地面温度的昼夜变化

2．2．2 考虑大气参数昼夜变化影响的大气模型下大气参数的变化

2．2．3 仿真与分析

2．3 本章小结

第三章 平流层飞艇传热学模型

3．1 飞艇热交换模型

3．2 外部辐射热流

3．2．1 太阳直射的辐射热流

3．2．2 地面反射辐射的热流

3．2．3 地气红外辐射的热流

3．3 内部气体温度变化模型

3．4 对流换热热流

3．5 本章小结

第四章 平流层飞艇驻空的建模与仿真

4．1 飞艇结构及相关设计

4．2 飞艇驻空动态模型

4．2．1 驻空期间的上升动态模型

4．2．2 驻空期间的下降动态模型

4．3 数值仿真与分析

4．3．1 参数取值

4．3．2 仿真结果与分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢