復合姿態下飛艇表面太陽輻射計算方法研究

陸景松,張先鋒（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230031）

復合姿態下飛艇表面太陽輻射計算方法研究

陸景松,張先鋒
（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥230031）

摘要：飛艇在空間熱輻射環境下的超熱特性，會引起系統凈浮力晝夜周期性變化，對其工作能力構成較大的影響。本文通過引入飛艇航向角、俯仰角、橫滾角以及太陽高度角和方位角等參數，對飛艇表面受輻射強度的分布特性進行研究分析，提出了復合姿態下表面太陽輻射熱流分布的通用計算方法，為其他形態的熱輻射計算、太陽能電池陣列布置及后續飛艇傳熱模型研究提供必要的基礎。

關鍵詞：飛艇;復合姿態;太陽輻射;計算方法

1引言

隨著空間飛行器技術的發展和信息化綜合應用概念的不斷演化，飛艇以定點長時滯空的特點，在通信、測量、應急救災等領域作為空中平臺的商業應用前景和戰略價值不斷受到關注[1,2]。

對于飛艇而言，以太陽輻射為主的空間熱輻射環境[3]會引起其超熱呈現晝夜周期性變化特征，導致飛艇晝夜溫差過大，平衡重量周期波動，不利于飛艇的長期穩定駐空。因此，溫度控制成為飛艇研制過程的重要關鍵技術之一。

從循序漸進的角度考慮，飛艇熱特性分析是開展熱設計工作的重要理論支撐，需重點研究。目前，飛艇熱特性研究工作主要集中在熱力學建模方面，且尚無建立可靠的工程計算模型。其中，飛艇熱邊界主要采用壁面等熱流密度的簡化處理方法，沒有體現飛艇表面曲率以及飛艇姿態的影響，導致熱仿真出現不同程度的誤差。本文以傳熱模型中的太陽輻射特性為切入點，引入飛艇運動姿態和太陽輻射影響參數，對飛艇表面受熱輻射強度的分布特性進行研究分析，提出了復合姿態下飛艇表面受太陽輻射熱流的通用計算方法。

2飛艇模型

飛艇選取橢球體作為研究對象，橢球體半軸分別為65m，25m，25m。

定義地表笛卡爾坐標系：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軸，定義飛艇體坐標系，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，太陽高度角，太陽方位角A，各角度變化區域分別為一般情形下，飛艇、地表坐標系、太陽輻射對應關系見圖1。

圖1飛艇、地表坐標系、太陽輻射對應關系

2.1坐標變換

艇體空間曲面方程可表示成函數形式：

同理，按公式2將體坐標系下的法線分量向笛卡爾坐標系進行變換：

2.2計算網格構建

采用面向對象程序設計C++語言進行編程，通過無限插值數值算法[4]，表面法線求解以及上述坐標變換算法，構建復合姿態下的飛艇表面計算網格，如圖2。

2.3輻射熱流計算

通過網格劃分，飛艇表面任一微元可視為平面，其法線與入射的太陽輻射均存在一定夾角，如圖3。

圖2某姿態下，艇體表面網格及部分法線

沿地表笛卡爾坐標系，將太陽輻射分解，借用矢量的概念表示為??

對于飛艇表面任意點，在向陽面上接受的太陽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

對于向量夾角判斷，可采用以下兩種方法計算。

2.2.1?向量點乘算法??

此種算法，物理意義明確，但求解計算量相對較大。

2.2.2?向量叉乘算法

因此，飛艇表面任意點接受的太陽輻射（公式7）可統一簡化為：

3飛艇表面輻射量計算

以合肥地區2014年5月15日13:00為例，太陽輻射常數取[5]，計算出太陽高度角，方位角[6]。

圖4飛艇表面（含太陽能電池陣列）受輻射量分布

需要注意的是，太陽輻射強度及相關角度參數是關于地理緯度、季節、時間等參數的函數，對具體狀態的輻射熱流分布分析需具體考慮這些因素的影響。

4結束語

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

參考文獻：

[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.平流層飛艇預警探測技術進展及應用展望[J].現代雷達,2011(01).

[3]呂達仁等.臨近空間大氣環境研究現狀[J].力學進展,2009(06).

[4]陶文銓，數值傳熱學[M]，西安交通大學出版社,2001.

[5]GJB1029-90[J],衛星熱設計準則,1991.

[6]王炳忠，太陽輻射計算講座第一講太陽能中天文參數的計算[J].太陽能,1999.

作者簡介：陸景松（1984-），男，江蘇揚州人，碩士，工程師，主要研究方向：熱設計與熱分析。