軟式平流層飛艇的氣動性能與多目標優(yōu)化研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TU393.3學校代碼：10213國際圖書分類號：624密級：公開工學博士學位論文學博士學位論文軟式平流層飛艇的氣動性能與多目標優(yōu)化研究博士研究生：李天娥導師：武岳教授副導師：孫曉穎副教授申請學位：工學博士學科：結(jié)構(gòu)工程所在單位：土木工程學院答辯日期：2017年04月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要平流層飛艇是靠體內(nèi)浮升氣體提供凈升力，靠推進系統(tǒng)抵抗氣動阻力及控制系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)，可實現(xiàn)在平流層底部（約20km左右）長

2、時間定點駐空的浮空器。懸空時間長、載重量大、隱身性能好、成本低等特點，使平流層飛艇具有重要的軍事與民用價值，已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。平流層飛艇工作高度處的空氣密度僅約為地面的114，意味著需要更輕質(zhì)量及更大體積來產(chǎn)生足夠的凈升力。軟式飛艇以其質(zhì)量輕、可實現(xiàn)大體積的特點成為平流層飛艇的首選結(jié)構(gòu)形式。風荷載是平流層飛艇工作過程中的主要外荷載，風荷載作用下的氣動特性是飛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。該方面以往的研究多集中在雙橢球艇的測力試驗，缺

3、少測壓試驗，尤其缺乏軟式飛艇氣動彈性效應的風洞試驗研究。與此同時，續(xù)航能力、載重量及結(jié)構(gòu)受力性能是評價平流層飛艇性能的關(guān)鍵指標。續(xù)航能力的增加主要是靠減少氣動阻力節(jié)約動力能源來實現(xiàn)的。與其它飛行器相比，飛艇自重對載重量的影響更直接。因此，需要開展減阻、減重與提高結(jié)構(gòu)受力性能的多目標優(yōu)化?；谏鲜霰尘埃疚囊阅惩诬浭狡搅鲗语w艇為研究對象，綜合運用風洞試驗與數(shù)值模擬，對飛艇的氣動性能進行了系統(tǒng)性研究。在此基礎(chǔ)上，基于本文提出的優(yōu)化分析算法

4、，對飛艇進行了多目標優(yōu)化分析。主要工作包括如下幾個方面：（1）為了從風壓分布角度更好地理解飛艇氣動特性的規(guī)律，設(shè)計并完成了縮尺比為130飛艇剛性模型的測壓風洞試驗。分析了偏航角、俯仰角及復合角（偏航與俯仰共同作用）下結(jié)構(gòu)的氣動特性；根據(jù)研究艇體的外形特點，將其定義為頭部、中間、尾部三個部分?；陲L壓分布特點，討論了各部分對艇體氣動特性的影響。（2）為了對飛艇的氣彈響應進行準確的評價，設(shè)計并完成了飛艇氣彈響應風洞測振試驗。對氣彈模型設(shè)計中

5、不滿足相似性要求的相似偏差進行了評價，且給出了相應的修正；基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲得了飛艇的氣彈響應值，探討了風速、壓差及姿態(tài)對氣彈響應的影響；對飛艇的氣彈響應進行了評價，結(jié)果表明：本文研究飛艇在駐空高度處的氣彈響應較小，可以忽略不計。（3）飛艇的氣動阻力對其駐空時長及載重量等性能有重要的影響，為此，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對飛艇的氣動阻力特性進行了系統(tǒng)的分析。探討了環(huán)境參數(shù)、長細比及尾翼對結(jié)構(gòu)氣動阻力的影響。基于CFD數(shù)值模擬結(jié)果，擬合