论文摘要：平流层浮空器热动力学特性研究

        平流层浮空器作为一类新型的飞行器，具有成本低、定点驻空时间长等优点，在民用通信、军事侦察、资源探测、监视监控等领域有广泛的应用前景。

        平流层浮空器体积巨大、工作区域热环境复杂，由于飞行原理和自身结构的特殊性，平流层浮空器热动力学特性与航天器以及高速航空器有较大差异。平流层浮空器热动力学特性涉及热辐射换热、对流换热以及传导换热的复杂耦合作用，并对浮空器受力特性、飞行控制产生影响。平流层浮空器热动力学特性是平流层浮空器多项关键技术的共性基础问题，全面了解其热动力学特性，是掌握平流浮空器技术的关键。

        本文结合国内外平流层浮空器热动力学特性研究的最新进展，以典型平流层气球浮空器为研究对象，针对平流层浮空器热动力学特性问题，从浮空器热环境、浮空器热动力学建模、数值仿真以及相关热试验等几个方面进行了系统的研究，主要工作包括以下几个方面：


提出一种综合考虑多种因素，较为系统的平流层浮空器热动力学特性研究方法。该方法结合浮空器动力学特性和热力学特性，考虑浮空器的热环境、自身结构特点以及材料的热物性参数，可以更加全面地了解浮空器的热动力学特性。通过这种方法较深入地研究了浮空器飞行速度与轨迹等参量，以及温度场与流场分布等参量。通过理论研究和试验对比，证实了该方法的可行性。

建立了平流层浮空器热环境的数学模型。通过分析影响平流层浮空器热动力学特性的热环境因素，综合考虑了大气、风场、太阳直接辐射、大气散射辐射、低地面反照辐射、地面和大气红外辐射的特性以及云层的影响，可准确地描述平流层浮空器的热环境。

建立平流层浮空器热动力学特性数学模型和相应的仿真平台，结合相关试验，研究了浮空器在实测环境中的热动力特性。该热动力学特性数学模型考虑浮空器自身结构特点和材料热物性参数，结合浮空器动力学和热力学原理，引入实测热环境数据，可以全面地描述浮空器的热动力学特性。仿真平台基于Matlab/Simulink和CFD/Fluent环境建立，通过数据共享和协同仿真，可以研究浮空器飞行速度、轨迹的变化规律，以及蒙皮温度分布和内部氦气流场和温度场的变化规律。研究结果可为浮空器的气囊材料选择、设计、制造、气囊浮生气体填充以及制定飞行控制策略提供指导。

建立平流层浮空器设备舱热特性数学模型和相应的仿真平台，结合相关试验，研究了设备舱在实测环境下的热特性。该热特性数学模型考虑设备舱自身结构特点和材料的热物性参数，结合设备舱换热原理，引入实测环境数据，可以全面地描述设备舱的热特性。仿真平台基于Matlab/Simulink和CFD/Fluent环境建立，通过数据共享和协同仿真，可以研究设备舱换热规律以及温度场和流场的分布规律。研究结果可为设备舱热控制方案设计提供依据。


        本文通过全面系统地对平流层浮空器热动力学特性进行研究，丰富和发展了平流层浮空器热动力学特性研究思路和方法，对平流层浮空器升空和驻留过程中的耦合传热机制、热动力学特性和影响因素作了深入分析，获得了较全面的认识。研究结果可为平流层浮空器设计、热控制设计、飞行动力学控制设计、飞行策略规划等提供参考。

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