平流层飞艇升空全过程的热力耦合分析

韩强 唐梓棋 张闰† 刘婷婷 姚小虎

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448000)

平流层飞艇作为一种性能优越的临近空间飞行器，在军用及民用领域都具有极大的应用价值[1- 4]。其一方面可以作为信息平台服役于军事通信、侦查、导航、预警等军用场合[5]；另一方面还能实现民用通讯、电视转播、气象汇报、空中运输及紧急救助等工作[6- 7]。由于其所具有的经济性、空间性、通讯性和前景性，越来越得到各国的重视[8]。

平流层飞艇需依靠气囊提供的浮力实现升空和悬停，同时受到大气、风场等复杂外界环境影响，存在复杂的热力耦合和非线性动力学耦合问题[9]。因此，研究飞艇在升空阶段的热力耦合问题成为了实时控制其运动状态的关键所在[10]。Zhao等[11- 13]介绍了飞艇的动力学模型及关键运动参数的计算方法，通过NPSOL等优化软件，以时间和能源为优化指标对飞艇上升轨迹进行了数值优化；Harada等[14- 15]建立了平流层飞艇的热力学理论模型；姚伟等[16]通过MATLAB的SIMULINK工具箱建立起详细的热力学模型，并进行了初步升空仿真，仿真过程考虑了太阳辐射和对流换热对飞艇上升净浮力和升空过程的影响；Bessert等[17]采用VSAERO与ABAQUS联合分析方法耦合求解飞艇的静气动弹性特征；王晓亮等[18]利用FLUENT与ABAQUS联合结构交错积分耦合法研究了平流层飞艇在突风荷载瞬时响应下的流固耦合特性。整体而言，目前主流文献对平流层飞艇的多物理场耦合研究中，流固耦合方面的报道较多，而具体的热力耦合模型分析以高空驻留阶段的热动力学模型居多，对于升空全过程的热力解耦方案主要停留在理论建模分析阶段，对涉及飞艇变质量升空全过程可视化联合仿真控制方面的研究较为缺乏。……