張永剛

(廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510403)

根據(jù)工作原理的不同，浮空器可分為飛艇和氣球兩大類，系留氣球是目前應(yīng)用較為廣泛的浮空器細(xì)分類型，是一種利用輕于空氣的氣體，如氫氣或氦氣，進(jìn)而依靠大氣浮力升空的航空器。改進(jìn)型的系留氣球在結(jié)構(gòu)上除了球形囊體之外，還增加了升力翼與立面，具體見(jiàn)圖1。此類型浮空器具有成本低、覆蓋面積大、駐空時(shí)間長(zhǎng)、能耗小、載荷能力大、噪聲低等突出優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)急救援、通信中繼、空中監(jiān)測(cè)和地理測(cè)繪等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相比于目前比較流行的無(wú)人機(jī)這類航空器，系留氣球則具有駐空時(shí)間長(zhǎng)、載荷能力大的突出優(yōu)勢(shì)，系留氣球在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，完全可以取代無(wú)人機(jī)，發(fā)展前景廣闊。

圖1 典型浮空器（系留氣球）結(jié)構(gòu)示意圖

從國(guó)際范圍來(lái)看，美國(guó)、俄羅斯以及以色列等國(guó)家的系留氣球研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和保障能力都代表了世界先進(jìn)水平[1]。美國(guó)的“美洲獅”系列系留氣球升空高度達(dá)5 km，用以完成空中監(jiān)測(cè)任務(wù)，駐空時(shí)間超20 d，有效載荷達(dá)數(shù)百公斤。目前，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)高校、研究所及企業(yè)相繼加快了浮空器相關(guān)的研究工作，浮空器產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)研究所和高校成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的升空高度達(dá)數(shù)千米的系留氣球平臺(tái)。

1 氣動(dòng)仿真的意義

廣義層面的數(shù)值模擬分析方法最早可以追溯到結(jié)構(gòu)化矩陣分析的發(fā)展時(shí)期，逐步演化到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，長(zhǎng)期實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。隨著計(jì)算機(jī)的能力的不斷提高，近年來(lái)數(shù)值模擬方法逐漸已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解多個(gè)交叉學(xué)科的復(fù)雜問(wèn)題。

此次氣動(dòng)仿真運(yùn)用了流固耦合的方法，流固耦合是把流體力學(xué)與固體力學(xué)這兩門學(xué)科結(jié)合起來(lái)進(jìn)行耦合計(jì)算，它是研究變形固體在流場(chǎng)下的各種相互作用以及固體位形對(duì)流場(chǎng)的影響這二者相互作用的一門交叉學(xué)科。流固耦合方法的一個(gè)重要特征是研究對(duì)象中的兩相介質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用，變形固體在流體作用下會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的變形或運(yùn)動(dòng)。另外，變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)又會(huì)影響流體運(yùn)動(dòng)，從而改變流體載荷的具體分布和大小變化。

系留氣球在空中的迎風(fēng)運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)典型的流固耦合問(wèn)題，如此復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析結(jié)果交叉迭代求解，這也是解決此類問(wèn)題的一大難點(diǎn)。

文字的研究對(duì)象是改進(jìn)型系留氣球，它是一種較為嶄新的浮空器類型，可同時(shí)利用風(fēng)力和所充氦氣提供的升力，具有良好空氣動(dòng)力特性。利用氣動(dòng)仿真分析方法可以達(dá)到以下具體目的：模擬浮空器的空中姿態(tài)，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；在浮空器研究過(guò)程中預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；縮短研究和分析的周期；模擬各種試驗(yàn)場(chǎng)景，減少部分試驗(yàn)環(huán)節(jié)，加快進(jìn)度；進(jìn)一步找到浮空器結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)和參考數(shù)據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)研究提供重要依據(jù)等。

2 氣動(dòng)仿真的任務(wù)

這種浮空器升力由兩部分疊加而成，一部分是囊體的浮升力，另一部分是自然風(fēng)作用于升力翼的升力。當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，升力翼無(wú)升力貢獻(xiàn)；現(xiàn)實(shí)情況下大部分時(shí)間為有風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)浮空器的升力即為囊體浮升力與升力翼升力的矢量和。另外，凈升力還要減去平臺(tái)空中部分的重量以及系纜空中部分的重量，即平臺(tái)的承載能力，這是浮空器最關(guān)心的目標(biāo)。此次仿真主要完成了以下任務(wù)：第一，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形狀的浮空器（球形囊體、布簾囊體和系留氣球結(jié)構(gòu)）的氣動(dòng)仿真分析，對(duì)比其穩(wěn)定性指標(biāo)，驗(yàn)證系留氣球的性能先進(jìn)性；第二，通過(guò)仿真找到浮空器結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，為后續(xù)研究提供參數(shù)依據(jù)。

3 氣動(dòng)仿真過(guò)程

3.1 浮空器結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型系留氣球在氣動(dòng)外形上由橢球型囊體、升力翼、立面這3個(gè)部分組成，升力翼和立面均使用骨架撐直成型，在系纜的作用下氣球整體呈橢球型風(fēng)箏狀。理論計(jì)算可以證明扁形的橢球囊體比球形的風(fēng)阻系數(shù)小。升力翼為三角形狀，可借助風(fēng)力給氣球貢獻(xiàn)額外的升力和囊體產(chǎn)生的升力進(jìn)行疊加。立面使得氣球始終保持迎風(fēng)方向，便于升力翼發(fā)揮功能，從而使氣球整體具備良好的氣動(dòng)外形。

系留氣球的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的3種不同結(jié)構(gòu)形狀的系留氣球，即球形囊體、布簾囊體和改進(jìn)型系留氣球，在保證重量一致，風(fēng)速相同的前提下進(jìn)行氣動(dòng)仿真分析，對(duì)比穩(wěn)定性指標(biāo)，驗(yàn)證其氣動(dòng)外形的先進(jìn)性。此次選定系纜與地面夾角為穩(wěn)定性衡量指標(biāo)θ0（即系纜與地面夾角），θ0越大則說(shuō)明升空高度越高，性能也越好。此次氣動(dòng)仿真選取的3 種浮空器體積規(guī)格均為16 m3，以保證有相同的囊體浮力，具體形狀見(jiàn)圖2。

圖2 3種浮空器模型示意圖

3.2 模型網(wǎng)格劃分

浮空器結(jié)構(gòu)建模后，可以選擇自動(dòng)生成網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合要求，則重新進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了研究水平和效率?？梢栽诩傻挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬環(huán)境中，快速解決一個(gè)在以前無(wú)法應(yīng)對(duì)的復(fù)雜研究分析問(wèn)題。另外，可以利用自適應(yīng)網(wǎng)格與重劃分網(wǎng)格技術(shù)來(lái)處理由于大變形引起網(wǎng)格畸變而引起的求解困難。

這一步是將3種不同結(jié)構(gòu)的浮空器物理模型分別導(dǎo)入并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。劃分網(wǎng)格前，盡量忽略掉對(duì)氣動(dòng)沒(méi)有影響或影響較小的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件；忽略孔、倒角等特征；對(duì)結(jié)構(gòu)中的部分復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)將簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單平面建模。通過(guò)以上手段達(dá)到減少分析時(shí)的網(wǎng)格劃分，進(jìn)而減少計(jì)算時(shí)間的目的，網(wǎng)格示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 系留氣球網(wǎng)格示意圖

3.3 浮空器材料定義

浮空器主體蒙皮材料首選TPU 薄膜，當(dāng)用于承載能力比載荷大且余量多的時(shí)候也可以考慮選用PVC薄膜厚度稍厚一些的使更不易損壞。TPU即熱塑性聚氨酯，機(jī)械強(qiáng)度高、耐寒性好，其在較寬的溫度范圍內(nèi)（具體-40～120 ℃）具有柔性而無(wú)須增塑劑。另外，在耐油性、耐天候性、耐磨性、抗撕裂性、屈撓強(qiáng)度等性能優(yōu)良；該材料拉伸強(qiáng)度高，伸展率大，長(zhǎng)期壓縮永久變形率低。對(duì)比常見(jiàn)的幾種材料后，最終選擇TPU 薄膜為浮空器蒙皮的主要材料類型。

升力翼和立面選用尼龍，聚酰胺纖維具有良好的力學(xué)性能、耐熱性、耐磨性、耐化學(xué)藥品性、自潤(rùn)滑性。

骨架桿件采用碳纖維T700，碳纖維是目前普遍使用的新型碳材料，具有耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、高比強(qiáng)、高比模等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的功能結(jié)構(gòu)材料，是目前最優(yōu)的材料類型。

各組成部分的材料屬性如下：浮空器主體蒙皮為柔性體，材料為TPU 薄膜；升力翼和立面為柔性體，材料為尼龍；骨架桿件等為剛體，材料為碳纖管型材；骨架桿件接頭結(jié)構(gòu)件為剛體，材料為鋁合金。具體參數(shù)定義見(jiàn)表1。

表1 浮空器主要材料參數(shù)表

3.4 仿真算法簡(jiǎn)介

此次仿真算法選擇任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法，任意拉格朗日-歐拉方法中計(jì)算網(wǎng)格可以在空間中以任意的形式運(yùn)動(dòng)，可獨(dú)立于物質(zhì)坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。這樣通過(guò)規(guī)定合適的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)形式可以準(zhǔn)確地描述物體的移動(dòng)界面，并維持單元的合理形狀。任意拉格朗日-歐拉算法可以通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格的合理運(yùn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)流固耦合邊界的變形，保持良好的網(wǎng)格質(zhì)量，從而可以提高計(jì)算效率[3-5]。

任意拉格朗日-歐拉方法可以克服網(wǎng)格單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流體、固體耦合的動(dòng)態(tài)分析。任意拉格朗日-歐拉方法是兩層網(wǎng)格重疊在一起，使空間網(wǎng)格又可以在空間任意運(yùn)動(dòng)，做到了兩者兼顧。此方法需先執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)時(shí)步計(jì)算，此時(shí)單元網(wǎng)格隨介質(zhì)流動(dòng)而產(chǎn)生并行現(xiàn)象，然后再執(zhí)行拉格朗日-歐拉時(shí)步計(jì)算：（1）保持計(jì)算模型變形后的物體邊界條件，對(duì)內(nèi)部單元進(jìn)行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系保持不變；（2）將原計(jì)算模型中的變形網(wǎng)格中的單元變量，包括密度、能量、應(yīng)力張量等和節(jié)點(diǎn)速度矢量輸送到重分后的新網(wǎng)格中，再進(jìn)行下一階段的處理。

浮空器仿真模型見(jiàn)圖4，在模型右側(cè)的入口施加風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)條件為：0～0.1 s 是靜風(fēng)，0.1～0.5 s 風(fēng)速線性增加到2級(jí)風(fēng)（約2.5 m/s），然后風(fēng)速一直保持恒定。

圖4 系留氣球仿真計(jì)算域示意圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 3種結(jié)構(gòu)囊體性能對(duì)比

通過(guò)氣動(dòng)仿真，得到并對(duì)比了3 種不同結(jié)構(gòu)形狀浮空器，球形囊體、布簾囊體和系留氣球結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。按照之前選定的性能衡量指標(biāo)，對(duì)系纜與地面夾角進(jìn)行對(duì)比。在二級(jí)風(fēng)工況下，3 種結(jié)構(gòu)囊體的仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 系纜與地面夾角θ0仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比3 種結(jié)構(gòu)囊體的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在同一風(fēng)力工況下，系纜與地面夾角指標(biāo)θ0的排序?yàn)椋合盗魵馇颍静己熌殷w＞球形囊體。可以看出，系留氣球的性能優(yōu)勢(shì)較為明顯，也從仿真的角度上驗(yàn)證了其性能先進(jìn)性。究其原因，系留氣球特有的三角形升力翼可借助風(fēng)力給囊體貢獻(xiàn)額外升力，使性能指標(biāo)優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)囊體。

正因?yàn)橄盗魵馇虻男阅芡怀?，近年?lái)得到了快速發(fā)展，一些新型系留氣球的升空高度可達(dá)數(shù)百米，甚至數(shù)千米，監(jiān)測(cè)范圍最大可達(dá)200 km 以上，駐空時(shí)間可達(dá)數(shù)周。系留氣球相對(duì)其他升空平臺(tái)具有更好的續(xù)航性和安全性，姿態(tài)也更穩(wěn)定[6]。

4.2 獲取關(guān)鍵參數(shù)

通過(guò)氣動(dòng)仿真還可以得到系留氣球的張應(yīng)力分布情況，進(jìn)而指出危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，找到氣球結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)和應(yīng)力參考數(shù)據(jù)。由圖6 可以看出，系留氣球的危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域有兩個(gè)：（1）主桿和系纜的配合處；（2）立面和囊體的結(jié)合處。在設(shè)計(jì)上應(yīng)該在這兩處采取加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免在風(fēng)力較大的情況下囊體被撕裂。

圖6 表面張應(yīng)力分布圖

進(jìn)一步通過(guò)氣動(dòng)仿真可以讀取得到系纜拉力變化的數(shù)據(jù)，獲得系纜拉力最大值，為系纜選型和優(yōu)化做好依據(jù)。另外，還可以發(fā)現(xiàn)無(wú)橫桿狀態(tài)浮空器的布局變形有所加劇，保型效果較差。增加橫桿后可以提高囊體的抗風(fēng)強(qiáng)度，減緩浮空器的變形程度，進(jìn)一步增強(qiáng)保型效果[7-8]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著各類浮空器尤其是系留氣球和飛艇應(yīng)用的快速發(fā)展，越來(lái)越多的科研院所及企業(yè)進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。各個(gè)研究單位應(yīng)該積極采用先進(jìn)仿真技術(shù)深入研究各類浮空器特性，使浮空器投入到更多商用場(chǎng)景。文章利用氣動(dòng)仿真技術(shù)，驗(yàn)證了系留氣球相對(duì)于其他兩種結(jié)構(gòu)類型囊體在性能上的先進(jìn)性。另外，還通過(guò)此次仿真找到浮空器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力薄弱點(diǎn)，為后續(xù)系統(tǒng)研究提供重要依據(jù)。