陸景松,張先鋒（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230031）

復(fù)合姿態(tài)下飛艇表面太陽(yáng)輻射計(jì)算方法研究

陸景松,張先鋒
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230031）

摘要：飛艇在空間熱輻射環(huán)境下的超熱特性，會(huì)引起系統(tǒng)凈浮力晝夜周期性變化，對(duì)其工作能力構(gòu)成較大的影響。本文通過(guò)引入飛艇航向角、俯仰角、橫滾角以及太陽(yáng)高度角和方位角等參數(shù)，對(duì)飛艇表面受輻射強(qiáng)度的分布特性進(jìn)行研究分析，提出了復(fù)合姿態(tài)下表面太陽(yáng)輻射熱流分布的通用計(jì)算方法，為其他形態(tài)的熱輻射計(jì)算、太陽(yáng)能電池陣列布置及后續(xù)飛艇傳熱模型研究提供必要的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛艇;復(fù)合姿態(tài);太陽(yáng)輻射;計(jì)算方法

1引言

隨著空間飛行器技術(shù)的發(fā)展和信息化綜合應(yīng)用概念的不斷演化，飛艇以定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)滯空的特點(diǎn)，在通信、測(cè)量、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域作為空中平臺(tái)的商業(yè)應(yīng)用前景和戰(zhàn)略價(jià)值不斷受到關(guān)注[1,2]。

對(duì)于飛艇而言，以太陽(yáng)輻射為主的空間熱輻射環(huán)境[3]會(huì)引起其超熱呈現(xiàn)晝夜周期性變化特征，導(dǎo)致飛艇晝夜溫差過(guò)大，平衡重量周期波動(dòng)，不利于飛艇的長(zhǎng)期穩(wěn)定駐空。因此，溫度控制成為飛艇研制過(guò)程的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。

從循序漸進(jìn)的角度考慮，飛艇熱特性分析是開(kāi)展熱設(shè)計(jì)工作的重要理論支撐，需重點(diǎn)研究。目前，飛艇熱特性研究工作主要集中在熱力學(xué)建模方面，且尚無(wú)建立可靠的工程計(jì)算模型。其中，飛艇熱邊界主要采用壁面等熱流密度的簡(jiǎn)化處理方法，沒(méi)有體現(xiàn)飛艇表面曲率以及飛艇姿態(tài)的影響，導(dǎo)致熱仿真出現(xiàn)不同程度的誤差。本文以傳熱模型中的太陽(yáng)輻射特性為切入點(diǎn)，引入飛艇運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和太陽(yáng)輻射影響參數(shù)，對(duì)飛艇表面受熱輻射強(qiáng)度的分布特性進(jìn)行研究分析，提出了復(fù)合姿態(tài)下飛艇表面受太陽(yáng)輻射熱流的通用計(jì)算方法。

2飛艇模型

飛艇選取橢球體作為研究對(duì)象，橢球體半軸分別為65m，25m，25m。

定義地表笛卡爾坐標(biāo)系：x軸指向正北，y軸指向正西，z軸指向正天。以飛艇各特征軸線為坐標(biāo)軸，定義飛艇體坐標(biāo)系，沿航向特征軸為x’軸，沿水平特征短軸為y’軸，沿向上垂直特征軸為z’軸。??定義角度：航向角，俯仰角，橫滾角，太陽(yáng)高度角，太陽(yáng)方位角A，各角度變化區(qū)域分別為一般情形下，飛艇、地表坐標(biāo)系、太陽(yáng)輻射對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1飛艇、地表坐標(biāo)系、太陽(yáng)輻射對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1坐標(biāo)變換

艇體空間曲面方程可表示成函數(shù)形式：

同理，按公式2將體坐標(biāo)系下的法線分量向笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行變換：

2.2計(jì)算網(wǎng)格構(gòu)建

采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)無(wú)限插值數(shù)值算法[4]，表面法線求解以及上述坐標(biāo)變換算法，構(gòu)建復(fù)合姿態(tài)下的飛艇表面計(jì)算網(wǎng)格，如圖2。

2.3輻射熱流計(jì)算

通過(guò)網(wǎng)格劃分，飛艇表面任一微元可視為平面，其法線與入射的太陽(yáng)輻射均存在一定夾角，如圖3。

圖2某姿態(tài)下，艇體表面網(wǎng)格及部分法線

沿地表笛卡爾坐標(biāo)系，將太陽(yáng)輻射分解，借用矢量的概念表示為??

對(duì)于飛艇表面任意點(diǎn)，在向陽(yáng)面上接受的太陽(yáng)輻射為輻射在曲面法向上的分量，而在背陰面上輻射量為零，具有明確的物理意義，可表示為：??

圖3微元表面法線與輻射向量

對(duì)于向量夾角判斷，可采用以下兩種方法計(jì)算。

2.2.1?向量點(diǎn)乘算法??

此種算法，物理意義明確，但求解計(jì)算量相對(duì)較大。

2.2.2?向量叉乘算法

因此，飛艇表面任意點(diǎn)接受的太陽(yáng)輻射（公式7）可統(tǒng)一簡(jiǎn)化為：

3飛艇表面輻射量計(jì)算

以合肥地區(qū)2014年5月15日13:00為例，太陽(yáng)輻射常數(shù)取[5]，計(jì)算出太陽(yáng)高度角，方位角[6]。

圖4飛艇表面（含太陽(yáng)能電池陣列）受輻射量分布

需要注意的是，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及相關(guān)角度參數(shù)是關(guān)于地理緯度、季節(jié)、時(shí)間等參數(shù)的函數(shù)，對(duì)具體狀態(tài)的輻射熱流分布分析需具體考慮這些因素的影響。

4結(jié)束語(yǔ)

此計(jì)算方法對(duì)大氣輻射、地球反射、云層反射、地球紅外輻射等其他輻射形態(tài)在各時(shí)段對(duì)飛艇表面輻射量的分布特性研究提供了參考依據(jù)；并為后續(xù)平流層飛艇太陽(yáng)能電池陣列布置、飛艇傳熱模型研究以及囊體熱應(yīng)力分析提供研究基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]MasahikoOnda,AStratosphericStationaryLTAPlatformConceptandGround-to-VehicleMicrowavePowerTransmissionTests.AIAA-99-1059.

[2]胡文琳等.平流層飛艇預(yù)警探測(cè)技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].現(xiàn)代雷達(dá),2011(01).

[3]呂達(dá)仁等.臨近空間大氣環(huán)境研究現(xiàn)狀[J].力學(xué)進(jìn)展,2009(06).

[4]陶文銓?zhuān)瑪?shù)值傳熱學(xué)[M]，西安交通大學(xué)出版社,2001.

[5]GJB1029-90[J],衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,1991.

[6]王炳忠，太陽(yáng)輻射計(jì)算講座第一講太陽(yáng)能中天文參數(shù)的計(jì)算[J].太陽(yáng)能,1999.

作者簡(jiǎn)介：陸景松（1984-），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，工程師，主要研究方向：熱設(shè)計(jì)與熱分析。