韓慶，喬梁，秦琪

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

臨近空間是指地球大氣層中高度在20～100 km的空域，包括大氣平流層大部分區(qū)域、中間層全部區(qū)域和電離層部分區(qū)域[1]。在這個(gè)空域范圍中，一般的航空器無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的飛行機(jī)動(dòng)。臨近空間空氣稀薄，氣流水平流動(dòng)相對(duì)緩和，此區(qū)域的電磁輻射、紫外線輻射、濕度和溫度等環(huán)境相對(duì)復(fù)雜[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)上的限制，臨近空間一直很難利用，但臨近空間有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。上可入天，下可入地，可以避免大多數(shù)地基和空基武器的打擊，又可作為空中平臺(tái)連接航空航天，組成空天一體化系統(tǒng)。隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展和軍事斗爭(zhēng)領(lǐng)域的不斷拓展，臨近空間作為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)陸?？仗祀娢寰S一體化戰(zhàn)場(chǎng)的重要組成部分，憑借獨(dú)特的空間和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，其潛在的軍事應(yīng)用價(jià)值受到各國(guó)的關(guān)注[3]。臨近空間飛行器主要分為低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器和高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器。低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器主要包括系留氣球、平流層飛艇以及超高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，可用于情報(bào)偵察、探測(cè)和預(yù)警；高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器包括高超聲速巡航飛行器、再入式滑翔飛行器、火箭/組合巡航型動(dòng)力飛行器，可以實(shí)現(xiàn)臨近空間精確打擊、戰(zhàn)略威懾等。平流層飛艇具有相對(duì)載荷較大、滯空時(shí)間長(zhǎng)、分布范圍廣、成本較低、安全性高和服役壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此本文重點(diǎn)研究一種新布局的臨近空間飛艇。

1 飛艇總體設(shè)計(jì)方案

1.1 關(guān)鍵技術(shù)概述

平流層飛艇的運(yùn)行環(huán)境(包括大氣特性、熱特性、輻射特性等)與低空飛艇或者航空器存在較大的區(qū)別，因此平流層飛艇的總體設(shè)計(jì)具有很大的難度，其關(guān)鍵技術(shù)包括飛艇總體布局、結(jié)構(gòu)和材料、推進(jìn)系統(tǒng)以及能源供應(yīng)系統(tǒng)等技術(shù)。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)平流層飛艇的總體布局設(shè)計(jì)方法和流程比較成熟，但由于平流層飛艇工作環(huán)境的特殊性，飛艇外形優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有很大的不確定性。常規(guī)流線型升力艇具有低阻力系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可降低對(duì)飛艇推進(jìn)系統(tǒng)和能源供應(yīng)系統(tǒng)的要求，有利于減輕飛艇本身的質(zhì)量。但由于蒙皮材料強(qiáng)度的不確定性，故常規(guī)型飛艇的體積和載重能力不會(huì)很大。尋求新型外形優(yōu)化設(shè)計(jì)成為飛艇設(shè)計(jì)的關(guān)鍵突破口。

平流層飛艇由于工作環(huán)境晝夜溫差變化劇烈，白天囊體內(nèi)外壓強(qiáng)差可能達(dá)到1 000 Pa，囊體需要維持超壓狀態(tài)使飛艇到達(dá)既定高度并穩(wěn)定駐空，飛艇的囊體將很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于大載荷工作狀態(tài)，因此對(duì)囊體材料的強(qiáng)度和密封性具有很高的要求。另外平流層環(huán)境復(fù)雜，輻射強(qiáng)度大，因此，要求飛艇的蒙皮材料強(qiáng)度必須具有高強(qiáng)度、低透氦率、耐候性好和抗皺折好等特點(diǎn)。因此,研制更高強(qiáng)度、耐候性更好和透氦率更低的平流層飛艇的材料，成為未來(lái)幾年的主要發(fā)展方向。

平流層飛艇要想實(shí)現(xiàn)升空、空中巡航和定點(diǎn)飛行，推進(jìn)系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)之一。飛艇憑借浮力和升力升空，動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)控制；空中巡航時(shí)，飛艇通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)克服風(fēng)阻等影響實(shí)現(xiàn)巡航；平流層飛艇在定點(diǎn)飛行以及返回著陸時(shí)，需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)提供推進(jìn)力和俯沖力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛艇一定姿態(tài)的飛行。因此，高性能的螺旋槳技術(shù)和電機(jī)推進(jìn)效率以及轉(zhuǎn)速和扭矩控制成為關(guān)鍵技術(shù)。在巡航階段，平流層飛艇必須具有穩(wěn)定的能源供應(yīng)系統(tǒng)，來(lái)保證飛艇的正常工作，因此，飛艇的能源供應(yīng)系統(tǒng)必須穩(wěn)定且高效，薄膜太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池的布置是關(guān)鍵因素。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)飛艇研制新的突破口可能在薄膜太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)能電池的比能量。

1.2 布局選型及設(shè)計(jì)方法

1.2.1 布局選型

下面通過(guò)現(xiàn)有樣機(jī)(見(jiàn)圖1和表1)，概括各布局平流層飛艇的特點(diǎn)。

圖1 常見(jiàn)的平流層飛艇

通過(guò)對(duì)臨近空間空氣流動(dòng)規(guī)律以及幾種飛艇布局特點(diǎn)的分析，擬采用混合式布局即艇體加聯(lián)翼式布局為最終布局，如圖2所示。該布局飛艇結(jié)合了常規(guī)單囊體飛艇和V型飛艇的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化的流線型艇身設(shè)計(jì)有利于降低飛艇的阻力，中間機(jī)翼的設(shè)計(jì)在飛艇高空巡航時(shí)提供一定的升力，有利于飛艇的機(jī)動(dòng)飛行。

表1 平流層飛艇的布局形式及特點(diǎn)

圖2 聯(lián)翼式飛艇外形設(shè)計(jì)

1.2.2 設(shè)計(jì)方法

飛艇設(shè)計(jì)過(guò)程與飛機(jī)基本類似，從質(zhì)量估算開始。高空飛艇設(shè)計(jì)時(shí)最初已知設(shè)計(jì)要求為駐空高度、最大飛行速度、任務(wù)載荷和任務(wù)系統(tǒng)能耗等，初步總體參數(shù)設(shè)計(jì)階段要從這些設(shè)計(jì)要求出發(fā)求得各分系統(tǒng)的初始質(zhì)量。

典型的高空飛艇質(zhì)量主要由以下部分組成：結(jié)構(gòu)質(zhì)量ms、太陽(yáng)電池質(zhì)量mt、儲(chǔ)能電池質(zhì)量mb、推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量md、機(jī)載設(shè)備質(zhì)量meq以及任務(wù)載重mpl等組成[4]?？傎|(zhì)量M為

M=ms+mt+mb+md+meq+mpl.

(1)

研究表明，對(duì)于非剛性平流層飛艇，蒙皮材料質(zhì)量大約占整個(gè)飛艇空質(zhì)量的一半，結(jié)構(gòu)質(zhì)量ms由式(2)估算：

ms=2ρmSm，

(2)

式中：ρm為蒙皮面密度；Sm為蒙皮面積。

太陽(yáng)能電池質(zhì)量mt計(jì)算公式為

mt=ρtSt，

(3)

式中：ρt為太陽(yáng)能電池面密度。

儲(chǔ)能電池質(zhì)量mb計(jì)算公式為

mb=Qn/w，

(4)

式中：Qn為儲(chǔ)能電池夜間供電的能量；w為電池能量密度。

推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量md計(jì)算公式為

md=aP，

(5)

式中：a為推進(jìn)系統(tǒng)單位功率質(zhì)量；P為推進(jìn)功率。

飛艇升力與浮力的計(jì)算公式為

(6)

Lf=V(ρa(bǔ)-ρHe),

(7)

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；v為飛行速度；Sc為參考面積；CL為升力系數(shù)；V為艇體體積；ρHe為氦氣密度。

飛艇工作狀態(tài)需用功率Pxu為

Pxu=Pt+Ps，

(8)

式中：Pt為推進(jìn)系統(tǒng)需用功率；Ps為設(shè)備需用功率，推進(jìn)系統(tǒng)需用功率計(jì)算公式為

(9)

式中:CD為阻力系數(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)與選擇

1.3.1 飛艇的基本結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上分類，飛艇主要有3種類型：軟式、半硬式飛艇、硬式飛艇。軟式飛艇一般采用的是多氣囊結(jié)構(gòu)，不符合我們的要求，硬式飛艇主要結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)件，也不符合我們的要求[5]。

與軟式飛艇相比，半硬式飛艇除了具有軟式飛艇的基本結(jié)構(gòu)以外(主氣囊、副氣囊、尾翼、載荷艙、動(dòng)力艙等)，半硬式飛艇囊體艇內(nèi)還設(shè)有支撐骨架或者少許骨架，并且從主氣囊頭部到尾部貫穿著一個(gè)剛性龍骨來(lái)承擔(dān)飛艇和設(shè)備質(zhì)量。橫向的支撐環(huán)主要承擔(dān)環(huán)向荷載，縱向龍骨鋪在主氣囊底部，主要承擔(dān)縱向整體或局部荷載，它與氣囊的共同作用下形成剛?cè)嵋惑w的協(xié)同受力體系，既能保持艇體適當(dāng)外形，又能更好地分擔(dān)彎矩及分散一些集中荷載，使飛艇具有更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，圖3為半硬式飛艇內(nèi)部骨架示意圖[6]。

圖3 半硬式飛艇內(nèi)部骨架

1.3.2 工作原理

飛艇內(nèi)部有2個(gè)空氣囊和1個(gè)主氣囊，飛艇的主氣囊裝滿輕于空氣的氣體(如氦氣)，提供總的浮力。

空氣囊裝有空氣，又稱為副氣囊。副氣囊內(nèi)填充空氣，可以在周圍溫度及高度變化時(shí)填充或釋放空氣來(lái)保持主氣囊的壓差，并且還可以通過(guò)充/放不同位置副氣囊的空氣來(lái)調(diào)節(jié)飛艇的飛行姿態(tài)，副氣囊還能起著調(diào)節(jié)浮力大小的作用，這種作用與潛水艇的工作原理相似。副氣囊通過(guò)閥門和風(fēng)機(jī)與外界大氣進(jìn)行質(zhì)量交換，飛艇升空時(shí)，隨著高度的增加，壓力控制系統(tǒng)通過(guò)壓差傳感器的反饋，判斷是否打開副氣囊的排氣或充氣裝置，對(duì)副氣囊進(jìn)行放氣或充氣來(lái)控制飛艇內(nèi)部氣壓，保證飛艇囊體內(nèi)外壓差保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

在飛艇的尾部采用交叉尾翼，尾翼上共有4個(gè)舵面，分別為2個(gè)升降舵和2個(gè)方向舵。為了抵御風(fēng)對(duì)于飛艇的影響，采用了尾部椎力或兩側(cè)矢量推力，矢量推力可以在縱向平面內(nèi)自由偏轉(zhuǎn)，輔助飛艇的升降。

1.3.3 主囊體材料

(1) 蒙皮材料

飛艇的工作環(huán)境和工作特點(diǎn)決定了蒙皮材料的性能，處于臨近空間的飛艇由于其工作的空間環(huán)境溫度較低，晝夜溫差較大，紫外線輻射和臭氧輻射較強(qiáng)，所以蒙皮材料要求盡可能輕(蒙皮材料面密度過(guò)高會(huì)使飛艇浮力減小，難以達(dá)到設(shè)定的高度)、高強(qiáng)度(強(qiáng)度大安全系數(shù)更高)、耐候性好(飛艇工作環(huán)境決定蒙皮材料必須耐候性好)、低透氦率(飛艇工作高度大，時(shí)間長(zhǎng)，所以要求材料低透氦率)和抗皺折等特點(diǎn)[4]。飛艇蒙皮材料由耐候?qū)?、阻氦層、承力層，粘接層和焊接?部分組成。當(dāng)前沒(méi)有單一的薄膜材料能同時(shí)滿足以上要求，通過(guò)膠粘劑可以粘合不同功能的結(jié)構(gòu)層從而形成層壓復(fù)合材料，形成的層壓結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、低透氦率、耐候性好和抗皺折好等特點(diǎn)[7]。

1.3.4 副氣囊體材料

主囊和副囊的膜材因工作環(huán)境不同，要求也不同，主囊膜材應(yīng)具有高強(qiáng)力、高模量、高比剛度、抗老化力強(qiáng)、抗撕裂、抗氦滲透和低蠕變特性，副氣囊則應(yīng)具有極高的阻氦氣滲透、柔韌抗彎、耐磨性好、輕質(zhì)、強(qiáng)度適中。

內(nèi)氣囊常在外氣囊內(nèi)摩擦，因此內(nèi)外氣囊的材料耐磨性就特別重要；內(nèi)外氣囊之間無(wú)壓差，故內(nèi)氣囊膜的受力很小，強(qiáng)度較低[8]。

副囊材料的結(jié)構(gòu)可以分成2層：承重層、阻氦層。承重層可用超薄型聚酯或尼龍纖維薄紗(Mylar)；阻氦層可用雙面涂層聚乙烯。

1.4 動(dòng)力能源的選擇與研究

1.4.1 動(dòng)力與能源系統(tǒng)概述

本文所設(shè)計(jì)的飛艇能量均來(lái)源于薄膜太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池在光照時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的能量，白天給電動(dòng)機(jī)供電，經(jīng)減速箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)飛艇的正常工作，同時(shí)將多余的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池以供夜晚和光照不足時(shí)使用。圖4為飛艇動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理圖。

圖4 飛艇動(dòng)力系統(tǒng)工作原理

1.4.2 飛艇電機(jī)動(dòng)力裝置的類型

飛艇的動(dòng)力裝置采用現(xiàn)在發(fā)展較為成熟的稀土永磁電機(jī)。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用電子換相，有效解決了有刷直流電機(jī)換向火花和高空換向困難的問(wèn)題。圖5為稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱帶螺旋槳的效率測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)異，電機(jī)效率高達(dá)90%。

圖5 電機(jī)效率-輸出功率曲線

相比于交流異步電機(jī)，稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率密度高、損耗性小、可靠性和控制性能更優(yōu)異，因此高空飛艇電推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力裝置的首選是稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

1.4.3 螺旋槳技術(shù)初步研究

在提高螺旋槳效率方面，通過(guò)優(yōu)化翼型，優(yōu)化槳葉平面布局，以及槳尖小翼外形優(yōu)化，獲得了高度 20 km、功率 30 kW的臨近空間槳梢小翼螺旋槳最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)風(fēng)洞縮比試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，最優(yōu)槳梢小翼螺旋槳布局方案的效率從51%提高到56%[9]。在臨近空間高效率螺旋槳?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)方面，劉沛清設(shè)計(jì)的定距三葉螺旋槳方案，螺旋槳吸收功率12.72 kW，槳徑為6.5 m。在高度20 km風(fēng)速20 m/s時(shí)螺旋槳效率可以達(dá)到75.8%[10]。

1.4.4 推進(jìn)系統(tǒng)能量來(lái)源

(1) 薄膜太陽(yáng)能電池

多硅晶薄膜太陽(yáng)能電池是一種相對(duì)較新的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，具有很大的降低成本和增加轉(zhuǎn)換效率的上升空間。目前最成熟的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)基于固相晶化SPC工藝，子組件的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了約9%，為能夠達(dá)到更高的性能，開展了大量的研究工作，以提高結(jié)晶質(zhì)量，并且最終實(shí)現(xiàn)12%的組件轉(zhuǎn)化效率和相應(yīng)的大規(guī)模生產(chǎn)工藝[11]。

(2) 儲(chǔ)能電池

鋰離子電池具有能量密度大、充電效率高、自放電小、壽命長(zhǎng)、可串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，已在3C電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具以及地面儲(chǔ)能電站等方面得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90 年代末期，隨著鋰離子電池技術(shù)成熟度的不斷提升，國(guó)際上開始了鋰離子電池在航天器上的應(yīng)用研究。通過(guò)近20年的發(fā)展，目前鋰離電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池后的第3代空間儲(chǔ)能電源，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，顯著提升空間飛行器的能源技術(shù)水平[12]。國(guó)內(nèi)研制的鋰離子電池已經(jīng)應(yīng)用在各種型號(hào)的衛(wèi)星上，其容量從10～50 Ah不等，比能量最高200 W·kg-1，壽命較長(zhǎng)、輕質(zhì)化、一體化程度高，未來(lái)鋰離子電池的發(fā)展將邁向體系優(yōu)化、生產(chǎn)工藝更加先進(jìn)、安全性能更好、壽命更長(zhǎng)、比能量更高、耐高溫高壓方向發(fā)展。

1.4.5 飛艇電池陣發(fā)電功率計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)平流層飛艇能源供應(yīng)系統(tǒng)主要由柔性太陽(yáng)能薄膜電池陣和高性能貯能電池2部分構(gòu)成，太陽(yáng)能電池陣滿足飛艇白天的能源供應(yīng)，而貯能電池(如可再生燃料電池等)滿足飛艇夜間和光照不足時(shí)的能源供應(yīng)。

(1) 太陽(yáng)電池陣發(fā)電功率計(jì)算

飛艇表面太陽(yáng)能電池陣的發(fā)電功率計(jì)算實(shí)質(zhì)上是個(gè)通量計(jì)算問(wèn)題，本文采用近似的解析方法和精確的數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合來(lái)計(jì)算飛艇所需要的發(fā)電功率。其中飛艇的物理模型簡(jiǎn)化如下所示。

平流層飛艇太陽(yáng)能電池陣的鋪裝與飛艇聯(lián)系緊密?？紤]到飛艇的艇身形狀類似于橢球形狀，且低阻力飛艇外形長(zhǎng)細(xì)比大概為4，而太陽(yáng)能電池陣鋪裝在飛艇最大直徑上表面處，因此可以考慮將太陽(yáng)電池陣形狀近似等效成圓柱體外形。接著，重點(diǎn)研究飛艇外形為圓柱體的太陽(yáng)能電池陣，鋪裝方式如圖6所示。其中。L為圓柱形太陽(yáng)電池陣鋪設(shè)長(zhǎng)度；D為圓柱形太陽(yáng)電池陣直徑。從橫截面方向上看，γ為太陽(yáng)電池陣鋪裝角度；λ太陽(yáng)能電池陣偏置角度，從飛艇頭部往尾部看，定義順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

圖6 電池板鋪裝方式

飛艇提供功率的數(shù)學(xué)模型如下所示。

平流層氣流水平流動(dòng)較為穩(wěn)定，垂直運(yùn)動(dòng)受到抑制。假定飛艇運(yùn)行在當(dāng)?shù)厮矫嫔希w與地面保持平行，飛艇頭部指向正東；同時(shí)假定太陽(yáng)能電池陣鋪裝角度為0，即λ=0。圖7為飛艇圓柱表面電池陣與太陽(yáng)輻射向量的幾何關(guān)系。其中Ox軸指向正南，Oy軸指向正東，Oz軸指向天基。

對(duì)于飛艇圓柱面而飛言，如果曲面某點(diǎn)太陽(yáng)光入射方向與該點(diǎn)法線方向的夾角大于或等于90°，那么此處肯定會(huì)被遮擋，沒(méi)有入射光線。飛艇表面太陽(yáng)入射光線遮擋幾何關(guān)系如圖8所示。圖中，α0是圓柱表面太陽(yáng)光照射區(qū)與陰影區(qū)的分界角度；α是太陽(yáng)電池陣上照射區(qū)的分界角度。

圖7 飛艇圓柱表面電池陣與太陽(yáng)輻射向量的幾何關(guān)系

圖8 太陽(yáng)入射光線遮擋幾何關(guān)系

太陽(yáng)赤緯角δ是地心與太陽(yáng)中心連線與地球赤道平面的夾角，計(jì)算公式為

(10)

式中：N為積日，是日期在年內(nèi)的順序號(hào)，如1月1日的積日為1，以此類推。飛艇太陽(yáng)輻射密度的計(jì)算公式為

I=I0ηρ(1-μ)，

(11)

式中：I0為平均太陽(yáng)輻射密度，這里取1 352 W·m-2；η為太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率；ρ為太陽(yáng)能電池的綜合損失因子，主要考慮了太陽(yáng)能電池的紫外輻照損失、偏照損失和組合損失；μ為大氣衰減系數(shù)。

圖9為太陽(yáng)光線入射到面元的示意圖。圖中，s表示入射光線，m表示面元的法向量。

根據(jù)每個(gè)面元的2個(gè)向量叉乘求出每個(gè)面元的單位法向量，根據(jù)法向量在坐標(biāo)平面的投影求出每個(gè)面元的傾斜角和方位角。

而方位角的求解公式為

cosθ=sinδ(sinφcoss-cosφsinscosγ)+

cosδ(cosφcoss+sinφsinscosγ)·

cosω+cosδsinssinγsinω+

cosδsinssinγsinω,

(12)

cosθ=a+bcosω+csinω,

(13)

式中：φ為地理緯度；θ為方位角；s為傾斜角。

而且，我們也需要日出太陽(yáng)時(shí)角ωr和日落太陽(yáng)時(shí)角ωs，其計(jì)算公式為

ωr=-arccos(-a/D)+arcsin(c/D),

(14)

ωs=-arccos(-a/D)+arcsin(c/D).

(15)

圖9 入射示意圖

太陽(yáng)時(shí)角與時(shí)間的關(guān)系為

ω=πt/(12-π),

(16)

I′=(cosθsinω,cosθsinω,sinθ).

(17)

根據(jù)面元單位法向量與太陽(yáng)輻射單位矢量能求出面元單位法向量與太陽(yáng)輻射單位矢量的夾角，這個(gè)夾角的余弦值與太陽(yáng)輻射通量密度的乘積，即每個(gè)面元的太陽(yáng)輻射通量密度。

2 可行性分析

2.1 總體設(shè)計(jì)可行性

現(xiàn)有參數(shù)以及任務(wù)要求如表2所示。

現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)艇體加聯(lián)翼式飛艇進(jìn)行總體氣動(dòng)特性計(jì)算，并分析其可行性。

(1) 初始構(gòu)型參數(shù)計(jì)算

首先對(duì)其初始設(shè)計(jì)進(jìn)行3D建模，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行氣動(dòng)分析，得到其氣動(dòng)特性曲線圖，如圖10～13所示，分別為升力系數(shù)曲線、阻力系數(shù)曲線、升阻比曲線以及升阻極曲線。

由升力系數(shù)曲線圖可知，與常規(guī)式升力式飛行器類似，艇體加聯(lián)翼設(shè)計(jì)全機(jī)升力系數(shù)隨迎角增大而增大，在計(jì)算范圍內(nèi)基本呈線性增加，在計(jì)算范圍內(nèi)未出現(xiàn)失速。阻力系數(shù)曲線與常規(guī)機(jī)翼走勢(shì)相似。根據(jù)升阻比曲線，該設(shè)計(jì)最大升阻比出現(xiàn)在約2°攻角處，約為8.3，此時(shí)升力系數(shù)為0.467，阻力系數(shù)為0.057。

(2) 總體參數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述構(gòu)型進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)，得到滿足任務(wù)需求的總體設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果，如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn),艇體加聯(lián)翼設(shè)構(gòu)型的設(shè)計(jì)尺寸、質(zhì)量較??；由于升力面的加入，使得飛艇部分質(zhì)量由升力平衡，這樣使得飛艇的尺寸與質(zhì)量得到降低，因此該布局較為合理。

表2 現(xiàn)有參數(shù)以及任務(wù)要求

圖10 升力系數(shù)曲線

圖11 阻力系數(shù)曲線

圖12 升阻比曲線

圖13 升阻極曲線

表3 聯(lián)翼式飛艇總體設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 參數(shù)敏感性分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的聯(lián)翼式平流層飛艇，對(duì)飛艇總質(zhì)量影響較大的一些參數(shù)，對(duì)總質(zhì)量進(jìn)行了參數(shù)的敏感性分析，分析結(jié)果如下所示。不同海拔下總質(zhì)量對(duì)比曲線圖如圖14所示。

圖14 總質(zhì)量隨高度的變化圖

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨高度的增大，總質(zhì)量急劇增大，特別在30 km以上的區(qū)域，增大十分明顯。分析其原因，是因?yàn)殡S著高度的增加，空氣密度急劇下降，使得飛艇的浮力急劇下降，這導(dǎo)致平衡一定的重力時(shí)需要更大的艇身體積來(lái)容納更多的氦氣，但增大艇身體積的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)飛艇本身質(zhì)量的增大，如此下來(lái)，需要平衡的重力更加的多，導(dǎo)致飛艇體積進(jìn)一步增大[13]。

圖15,16為太陽(yáng)能電池效率以及太陽(yáng)能電池的面密度對(duì)總質(zhì)量的影響曲線圖，其中橫坐標(biāo)分別為太陽(yáng)能電池效率增加比例以及太陽(yáng)能電池面密度減小比例，縱坐標(biāo)為總質(zhì)量減少比例。隨著太陽(yáng)能電池效率的提高，單位面積的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量就更多，從而在相同條件下所需太陽(yáng)能電池鋪設(shè)面積就更小，這樣使得太陽(yáng)能電池質(zhì)量就更小，從而使得總質(zhì)量減??；同樣，太陽(yáng)能電池面密度越小的情況下，相同面積太陽(yáng)能電池質(zhì)量更小，使得飛艇總質(zhì)量就更小。

圖15 太陽(yáng)能電池效率對(duì)總質(zhì)量的影響

圖16 太陽(yáng)能電池面密度對(duì)總質(zhì)量的影響

圖17,18為儲(chǔ)能電池能量密度以及儲(chǔ)能電池充電效率對(duì)總質(zhì)量的影響曲線圖，其中橫坐標(biāo)分別為儲(chǔ)能電池充電效率增加比例以及儲(chǔ)能電池能量密度減小比例，縱坐標(biāo)為總質(zhì)量減少比例。隨著儲(chǔ)能電池充電效率的提高，在儲(chǔ)存相同電量的情況下，所需太陽(yáng)能電池為儲(chǔ)能電池充電這一過(guò)程提供的總能量會(huì)減小，使得所需太陽(yáng)能電池面積就更小，這樣使得太陽(yáng)能電池質(zhì)量就更小，從而使得總質(zhì)量減?。煌瑯?，儲(chǔ)能電池能量密度越大的情況下，儲(chǔ)存相同的能量，儲(chǔ)能電池質(zhì)量越小，這就使得飛艇總質(zhì)量更小。

圖17 儲(chǔ)能電池能量密度對(duì)總質(zhì)量影響

圖19為推進(jìn)效率對(duì)總質(zhì)量的影響曲線圖。其中橫坐標(biāo)為推進(jìn)效率變化比例，縱坐標(biāo)為總質(zhì)量減少比例。推進(jìn)效率對(duì)總質(zhì)量的影響體現(xiàn)在，隨著推進(jìn)效率的增加，在克服相同阻力的情況下，其所需能量更小，這使得太陽(yáng)能電池以及儲(chǔ)能電池質(zhì)量都減小，從而使得總質(zhì)量減小。

圖18 儲(chǔ)能電池充電效率對(duì)總質(zhì)量影響

圖19 推進(jìn)效率對(duì)總質(zhì)量影響

圖20為蒙皮面密度對(duì)總質(zhì)量影響曲線圖。其中橫坐標(biāo)為蒙皮面密度減少比例，縱坐標(biāo)為總質(zhì)量減少比例。蒙皮面密度的變化直接影響著飛艇總質(zhì)量，由于飛艇的蒙皮占了很大的面積，隨著蒙皮面密度的減小，飛艇總質(zhì)量就減小，帶來(lái)的效果是飛艇所需的升、浮力減小，使得飛艇體積得到減小，這又導(dǎo)致阻力減小，從而使得太陽(yáng)能電池以及儲(chǔ)能電池質(zhì)量減小，使得質(zhì)量進(jìn)一步減小。

圖20 蒙皮面密度對(duì)總質(zhì)量影響

針對(duì)以上結(jié)果，對(duì)比分析可以得到，各參數(shù)對(duì)飛艇總質(zhì)量影響排序分別為：蒙皮面密度、推進(jìn)效率、太陽(yáng)能效率、儲(chǔ)能電池能量密度、太陽(yáng)能電池面密度、儲(chǔ)能電池充電效率。其中可以發(fā)現(xiàn)，蒙皮面密度對(duì)總質(zhì)量的影響最為突出，其原因是，飛艇表面積巨大，導(dǎo)致其蒙皮的質(zhì)量十分巨大。

3 應(yīng)用前景分析

3.1 研究前景

平流層的氣象條件下比較穩(wěn)定，日照時(shí)間長(zhǎng)，且處于大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)和防空武器的射高范圍之外，適合飛行器長(zhǎng)時(shí)間駐留[14]。平流層飛艇與衛(wèi)星相比，距離地面較近，相對(duì)載荷較大，研制經(jīng)費(fèi)可能更少，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地對(duì)空的精確監(jiān)視，既有比衛(wèi)星更高的分辨率，同時(shí)必要時(shí)可以攜帶精確制導(dǎo)武器實(shí)現(xiàn)對(duì)地對(duì)空的打擊，且有著衛(wèi)星不具有的一些軍民價(jià)值；與飛機(jī)等航空器相比，平流層飛艇距離地面高度較大，監(jiān)視范圍更加廣泛，覆蓋半徑更大，目前預(yù)警機(jī)對(duì)地的雷達(dá)視距大約在400 km，而平流層飛艇最多可達(dá)1 000 km左右，是前者的2倍左右。綜上所述，平流層飛艇在軍用方面可以作為具有軍用通信、遠(yuǎn)距離偵察、情報(bào)探測(cè)、導(dǎo)航和預(yù)警偵察等功能的通用平臺(tái)，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、探測(cè)半徑大、可定點(diǎn)飛行、載荷能力強(qiáng)和效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，擁有極高的戰(zhàn)略應(yīng)用價(jià)值[15]。在民用方面平流層飛艇也具有很大的應(yīng)用前景?？梢哉f(shuō)，平流層飛艇是集飛機(jī)等航空器和衛(wèi)星等航天器性能于一體的優(yōu)異平臺(tái)，因此，美、俄、歐、日等國(guó)先后啟動(dòng)了平流層飛艇研發(fā)工作。

3.2 應(yīng)用需求

3.2.1 軍用需求

(1) 武器平臺(tái)和指揮體系

臨近空間空氣稀薄，激光的傳播衰減極小，在20 km高度水平傳輸50 km激光的透過(guò)率為98.8%，因此平流層飛艇是激光武器和定向能武器理想的應(yīng)用場(chǎng)景。其上可攻擊敵方偵察衛(wèi)星和反導(dǎo)，下可實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力目標(biāo)的防御。與反衛(wèi)星導(dǎo)彈以及反導(dǎo)導(dǎo)彈相比，其成本低廉，可以重復(fù)使用，且能夠獨(dú)立完成任務(wù)。又可對(duì)地面目標(biāo)、空中目標(biāo)進(jìn)行精確打擊，搭載電子設(shè)備進(jìn)行電子對(duì)抗，還可作為指揮平臺(tái)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行把控。

(2) 中繼通訊與情報(bào)收集

平流層飛艇具有飛行高度高、探測(cè)覆蓋范圍廣以及隱身性能好，因此可以搭載通訊設(shè)備與偵察設(shè)備對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控。

3.2.2 民用需求

(1) 應(yīng)急通訊

當(dāng)突發(fā)自然災(zāi)害時(shí)，往往面臨著通訊中斷的問(wèn)題，通訊中斷導(dǎo)致外界無(wú)法知道災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況，從而影響救災(zāi)的執(zhí)行和調(diào)度，耽誤救援的黃金時(shí)間。采用高空飛艇搭載通訊設(shè)備在災(zāi)區(qū)上空實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間駐留，為災(zāi)情的控制爭(zhēng)取時(shí)間。

(2) 邊境監(jiān)控

我國(guó)國(guó)土資源遼闊，邊境線長(zhǎng)而且很多地方環(huán)境惡劣，物資供應(yīng)困難，生活條件和設(shè)施很差，邊境軍人需要忍受常人難以忍受的痛苦，生病難以就醫(yī)等。用高空飛艇搭載監(jiān)控設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍監(jiān)控，同時(shí)也可減少邊境值勤人員的數(shù)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)分析了一種聯(lián)翼式平流層飛艇，這種飛艇有其他常見(jiàn)幾款飛艇的特點(diǎn)，并且總體布局合理，在高空中飛行時(shí)有著合理的升阻比。通過(guò)太陽(yáng)能電池板可以獲取足夠的能源來(lái)維持24 h不間斷的浮空巡航，從而可以實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)視、高空預(yù)警、氣象預(yù)報(bào)、信息中轉(zhuǎn)的功能。飛艇應(yīng)用更為高效的太陽(yáng)能電池板和儲(chǔ)能電池后，可以搭載更多的電子設(shè)備來(lái)進(jìn)行更多、更復(fù)雜的任務(wù)。

還需加強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換效率、整體材料的質(zhì)量、蒙皮材料改進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，因此在解決這些關(guān)鍵問(wèn)題后，這種平流層飛艇有著廣闊的應(yīng)用前景，在未來(lái)相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)必會(huì)提高飛艇的整體性能。