第11章-飞艇空气动力学(1)分解

第11章飞艇空气动力学(1)1飞艇简介1.1飞艇的结构特点和工作原理飞艇的结构特点和工作原理浮空器(aerostat):主要基于空气静力学原理，依靠浮力平衡重力的一类飞行器，主体由一个或多个囊体组成，囊体中充入轻于空气的气体。飞艇的结构特点和工作原理浮空器(aerostat):包括飞艇(airship)和系留气球(tetheredballoon).飞艇的结构特点和工作原理飞艇(airship):也称飞船(dirigible)，带有推进系统和控制系统的浮空器.当飞艇的动力设备不工作时就相当于自由气球。飞艇的结构特点和工作原理飞艇可以分为以下四类：（1）软式飞艇(nonrigidairship或blimp)飞艇的结构特点和工作原理飞艇可以分为以下四类：（2）硬式飞艇(rigidairship)飞艇的结构特点和工作原理飞艇可以分为以下四类：（3）半硬式飞艇(semi-rigidairship)飞艇的结构特点和工作原理飞艇可以分为以下四类：（4）热空气飞艇(hotairairship或thermalairship)软式飞艇软式飞艇通常由巨大的充满氦气的气囊组成，气囊内部一般布置一前一后两个内充压缩空气的副气囊来控制飞艇的高度和俯仰姿态。Goodyear（软式飞艇）软式飞艇气囊内压力通常比环境高300~500Pa，用来维持整个飞艇的气动外形。Goodyear（软式飞艇）软式飞艇飞艇的尾部设有尾翼用以控制飞艇的姿态。Goodyear（软式飞艇）软式飞艇在气囊下部挂载舱体用于装载货物或人员。软式飞艇硬式飞艇硬式飞艇通常由刚性骨架外罩蒙布或铝制薄皮构成，用以维持飞艇的流线型外形和连接各部分部件。硬式飞艇硬式飞艇硬式飞艇的蒙皮不需要保证气密性，它的氦气充在艇身内部分布的许多小气囊中，每个小气囊固定在艇身内部由隔筐分割的小气室内。硬式飞艇硬式飞艇众多小气囊可以提高飞艇的抗损性和安全性。若其中一部分小气囊受损，整个飞艇的浮力不会完全丧失。硬式飞艇硬式飞艇硬式飞艇通常体积巨大，可以携带较多的人员或货物。硬式飞艇半硬式飞艇半硬式飞艇通常由下部的纵向龙骨和连接在上面的压力气囊构成。半硬式飞艇半硬式飞艇其中龙骨既为气囊提供一定的强度，又能够悬挂舱体用于携带有效载荷，可以看作是在软式飞艇的基础上添加了提升强度的龙骨结构。半硬式飞艇热空气飞艇热空气飞艇与软式飞艇的结构相似，只是气囊内部填充热空气用以产生升力，是从热气球演化过来的一种可以维持流线型外形的飞艇。热空气飞艇飞艇的结构特点和工作原理由于蒙皮是柔弹性材料，只有依靠张应力才能保持一定的外形，这就要求气囊内部对外部维持一个正压力差p飞艇的结构特点和工作原理在静态情况下，保持气囊外形所需的压力差设为p0，该值与蒙皮的零应力外形有关。飞艇的结构特点和工作原理实际压力差大于p0，则气囊保持外形的能力更强；实际压力差小于p0，则导致气囊发生不同程度的变形。飞艇的结构特点和工作原理当飞艇飞行时，由于外部流动改变了压力分布，流速减小的地方外表面压力升高，内外压差减小。飞艇的结构特点和工作原理其中前驻点的外表面压力最高，内外压差减小得最厉害，最容易发生变形。飞艇的结构特点和工作原理因此，为了保持气囊的整体外形，要求飞艇在最大飞行速度时前驻点的内外压力差不低于p0，临界条件为：2max012pVp飞艇的结构特点和工作原理工程算法采用经验公式：2max012pVp2max1250.033pVVmax的单位为km/h，p的单位为Pa飞艇产生浮力的原理飞艇主要依靠浮力来克服重力，而浮力主要来自飞艇的气囊。飞艇的净浮力为：nairHegbLgVLn为净浮力，Vgb为飞艇气囊的体积。飞艇产生浮力的原理飞艇气囊产生的浮力可以通过改变气囊的体积进行调节，从而实现飞艇的上升和下降。nairHegbLgV飞艇产生浮力的原理例如，对于软式飞艇，通过副气囊膨胀压缩主气囊的体积，从而飞艇受到的净浮力减小，飞艇下降；反之，飞艇上升。飞艇产生浮力的原理硬式飞艇也可以采用这种方式进行高度控制。飞艇产生浮力的原理这也是飞艇发射与回收的基本方式。飞艇产生推力的原理飞艇由于对地面定点悬停和运输货物等的需要，必须采用推进装置来克服风阻。飞艇产生推力的原理传统飞艇通常使用内燃机作为发动机，螺旋桨作为推进器。飞艇产生推力的原理新式飞艇则采用了更多形式的推进方式，如电力、微波、核、太阳能等。飞艇产生推力的原理飞行于平流层（海拔20~30KM）的高空飞艇，由于有长久驻留的需要，传统的推进方式所携带的燃料不能维持足够长的时间，而要利用太阳能的形式从环境中获取能量。飞艇产生推力的原理因此各国研制的高空飞艇（或平流层飞艇）均采用使用太阳能的推进方式。飞艇产生推力的原理使用太阳能的工作原理：白天太阳能电池将太阳能转化为电能，一部分直接供给螺旋桨产生推力；飞艇产生推力的原理使用太阳能的工作原理：另一部分输入到再生式燃料电池中以化学能的形式储存起来，等到夜晚的时候再以电能的形式输出，供螺旋桨产生推力。飞艇气动控制的原理飞艇在运行过程中将受到空气对它的作用，包括气动力与气动力矩。飞艇气动控制的原理其中，气动力主要包括升力和阻力。飞艇气动控制的原理力矩可以分解为三个方向：滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。飞艇气动控制的原理飞艇的上升与下降可以通过调节副气囊的大小来实现，也可以通过调节飞艇的俯仰角改变动升力来实现。飞艇气动控制的原理飞艇的姿态则可以通过尾翼来实现，其中平尾上的襟翼和升降舵可以控制飞艇的俯仰，立尾上的方向舵可以控制飞艇的偏航。飞艇气动控制的原理也可以通过调节前后副气囊的体积大小，从而改变浮心（浮力的作用点称为浮心）来调整姿态。飞艇气动控制的原理例如，前副气囊向外排出一些空气，后副气囊向内吸入一些空气，于是飞艇的浮心便相对水平状态向前移动，相对重心产生了抬头力矩。反之，使飞艇低头。飞艇气动控制的原理飞艇的运动和姿态的调整没有飞机那样高的灵活性，主要原因是飞艇体积庞大，相比一般飞行器具有很大的附加惯性。1.2飞艇的发展简史1852年9月24日，法国人亨利吉法尔制成世界第一艘飞艇。装有三角形尾舵，蒸汽机功率2.2KW，螺旋桨直径2.13m，螺旋桨转速110r/min飞艇的发展简史1884年8月9日，法国人列纳尔成功试飞由电动机驱动的“法兰西”号全向操纵型飞艇。电动机功率6.6KW，螺旋桨直径9m。飞艇的发展简史1900年7月2日，德国的齐伯林伯爵制成他的第一艘充氢硬式飞艇，并试飞成功（可载1名乘员和5名乘客），飞行时间20min.飞艇的发展简史1937年德国齐伯林公司的兴登堡号飞艇飞抵美国新泽西州的莱克赫斯特上空系留停泊时起火失事后，飞艇的“黄金时代”戛然而止。飞艇的发展简史1994年德国人加布连茨宣布复兴飞艇，从此飞艇又以惊人的速度得以发展。飞艇的发展简史艇壳结构普遍从软式改为硬式（至少是半硬式），浮力工质从易燃易爆的氢气改为惰性气体氦气。飞艇的发展简史现在的飞艇研制包括各种大型的军用或民用飞艇，也包括各种中小型多用途飞艇。飞艇的运营成本比飞机和直升机低很多。飞艇的发展简史美国开始研制的“巨型军事运输飞艇”（“海象”号），设计载重500~1000t，能在四天之内把一个1800人的作战部队和装备运送到世界任何地方。“巨型军事运输飞艇”（“海象”号）长航时高空飞艇除了发展传统低空飞艇，长航时高空飞艇（主要是平流层飞艇）开始得到各国的重视。长航时高空飞艇长航时高空飞艇主要应用于平流层通信和在军事上获得持续持久的空间效果。美国长航时高空飞艇项目长航时高空飞艇HAA将主要用于导弹防御，能够以15.4m/s的速度飞行于18.3km的高空。HAA计划将在2009年进行35天左右的试飞。HighAltitudeAirship美国长航时高空飞艇项目平流层飞艇Stratellite主要作为商用信息平台。平流层卫星Stratellite俄罗斯长航时高空飞艇项目俄罗斯的HAABerkut，飞行高度20~23km，将用于大面积的多种通信、广播和观测任务。俄罗斯HAABerkut日本长航时高空飞艇项目日本平流层飞艇（飞行高度：20km）韩国长航时高空飞艇项目韩国平流层飞艇（飞行高度：20km）欧洲长航时高空飞艇项目欧洲航天局的HALE（飞行高度：21.35km）HALE是一个在21.35km的平流层长久定点驻空的无人驾驶飞艇，飞艇采用流线型设计，能够对方圆643km的巨大区域进行监视。以色列长航时高空飞艇项目以色列平流层飞艇（飞行高度：21km）德国长航时高空飞艇项目德国Cargolifter试验飞艇（飞行高度：10km）国内飞艇发展现状国内研究的飞艇主要飞行在5km以下的空中，多采用地面遥控的方式进行飞行，也有部分采用系留的方式。国内飞艇发展现状这些飞艇多用于地面监测、航拍、广告、空中巡逻等方面，也有一些为未来开展平流层飞艇进行关键技术验证。国内飞艇发展现状2003年开始研制，上海交通大学参与研制，目前国内体积最大，升空高度最高。可携带200kg的任务载荷飞行在5km高空，留空时间7h，最大飞行速度30m/s天舟02国内飞艇发展现状2006年开始研制，清华大学参与研制，最大飞行高度3500m，最大飞行速度90km/h，最大载荷50~100kg.AAS-Ⅲ国内飞艇发展现状2004年首次试飞，成都神舟飞行器有限公司制造，飞行高度2500m，飞行速度75km/h，有效载荷35kg。具有地面监测、航拍、高空大气采样等多方面用途。开拓者3号国内飞艇发展现状2001研制，2002年5月首次试飞成功，北京华教联合飞艇制造公司研制，最大飞行高度2000m，最大速度65km/h，最大续航时间8h，可携带2名乘员。是我国第一艘具有正规资质的载人飞艇。HJ-200国内飞艇发展现状2004成功地进行了1km升空试验，中国航空工业第605所自行研制，飞行高度1000m，载重150kg，可长时间在空中滞留，并搭载有多种通信设备，可作为一个空中网络化信息化的平台。哨兵32基本概念2.1基本参数几何参数描述飞艇外形及尺寸的参数主要有三个：总长度l，最大直径d，长细比f几何参数总长度l，指的是飞艇最前端到最末端的距离。几何参数最大直径d，指的是艇身回转体表面最粗截面的直径。几何参数长细比f，是总长度l和最大直径d的比值。几何参数飞艇的当地雷诺数：eVlR飞艇的总长度l，飞行速度V和当地空气的运动粘性系数。几何参数飞艇的体积与飞艇所受的浮力有关。飞艇的表面积决定了飞艇蒙皮的重量，与飞艇的自重密切相关。几何参数传统飞艇的艇身一般为回转体外形，可以根据飞艇的轮廓线R=R(x)来计算飞艇的体积和表面积。202021laslasVRxdxSRRdx几何参数工程上有一些简单的估算方法，通过外形之间的相似关系确定飞艇的体积和表面积。asvassasVCAlSCVl其中，A表示飞艇的最大横截面积；Cv和Cs分别是体积系数和表面积系数，可根据相似外形的飞艇模型来获得。几何参数环境参数环境参数反映了飞艇在飞行过程中周围大气的环境特点，主要包括海拔高度h以及当地的大气密度、压力、温度等参数。环境参数此外，大气的风场也影响到飞艇的抗风性能。由于飞艇的飞行速度较低，所以水平风速对飞艇相对地面的运动影响较大。环境参数飞艇相对地面的行进速度Vg是飞艇相对空气的速度V与水平风速Vw的矢量和。gwVVV性能参数抗风能力是衡量飞艇性能的一个主要参数，可以用速度来描述，包括巡航速度Vcruise和最大速度Vmax，也可以用螺旋桨能够提供的最大推力T来描述。性能参数巡航速度Vcruise一般是发动机每公里消耗燃料最少情况下的飞行速度。性能参数当飞艇达到最大速度时，飞艇受到的阻力最大，此时。螺旋桨产生的推力达到最大状态。性能参数此外，飞行时间、最大高度、爬升速率、有效载荷等也都是描述飞艇性能的常用参数。2.2附加惯性、表观密度附加惯性假设飞艇在真空中作水平运动，飞艇在水平方向的运动方程为：FmaF为飞艇所受推力，m为飞艇的质量，a为飞艇的加速度附加惯性FD