平流层飞艇总体性能与技术研究

关键词：平流层飞艇，技术概述，参数化建模，外形优化，代理模型；Kriging
模型，参数分析
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南京航空航大学硕士学位论文
Abstract
Airships as stratospheric platform have large value in telecommunication services and military applcaiton. Their have been closely attend for nearly thirty years in those strong military countries. With the background of the stratospheric platform R&D project in China, this dissertation summarizes characteristics, application, systems and some technology of airship. Then, the airship modeling, figuration optimization and parameter analysis are studied in this thesis. In the context, parametic modeling method is used for stratospheric airship geometric modeling, and it can save considerable amount time required for aerodynamics analysis and figuration design. At the same time, airship with lemniscate and roseline profile is also studied to analyze their characteristic of drag. It’s found that airship is fit to control and has enough buoyanch when its slenderness radio is approximately four. So an improved trilobal roseline is described as a good profile. Surrogate model is introduced in the progress of figuration optimization of the airship. With Latin Squares Experiment Design to show samples and Kriging Approximation Approaches, we build the surrogate model for aerodynamical analysis. And then the figuration of stratospheric airship is optimized to have minimal weight in Isight. Finally, in the base of figuration optimization, the affect to weight and size of airship as a result of improving of much technology such as driving, energy, and material is studied, and this article figure out the direction of technology about stratospheric airship which should be developed. Keywords: Stratospheric airship, Technology summarization, Parametic modeling, Figuration optimization, Surrogate model, Kriging model, Parameter analysis
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南京航空航天大学硕士学位论文
图表清单
图 1. 1 平流层飞艇应用 ...................................................................................... 2 图 1. 2 美国推出的飞艇概念图 .......................................................................... 2 图 1. 3 构造代理模型的步骤 .............................................................................. 4 图 2. 1 飞艇的分类 .............................................................................................. 7 图 2. 2 软式飞艇副气囊的作用 .......................................................................... 8 图 2. 3 飞艇浮心俯仰控制 ................................................................................ 14 图 2. 4 平流层飞艇的主要能源需求 ................................................................ 15 图 3. 1 MGAERO 计算流程图 ............................................................................... 19 图 3. 2 载荷舱建模 ............................................................................................ 21 图 3. 3 尾翼建模 ................................................................................................ 21 图 3. 4 艇身建模 ................................................................................................ 21 图 3. 5 平流层飞艇总体几何模型 .................................................................... 22 图 3. 6 平流层飞艇几何模型最后三层空间网格的划分 ................................ 23 图 3. 7 纺锤体外形飞艇方案 ............................................................................ 24 图 3. 8 伯努利双纽线 ........................................................................................ 25 图 3. 9 玫瑰线系列曲线 .................................................................................... 25 图 3. 10 本文所研究的几种飞艇外形曲线 ...................................................... 26 图 3. 11 平流层飞艇速度压力分布图（H=20km,L=200m,V=100km/s）...... 27 图 3. 12 大气层里平均风速随着高度的变化 .................................................. 27 图 3. 13 双纽线外形阻力计算 .......................................................................... 28 图 3. 14 四玫瑰线外形阻力计算 ...................................................................... 28 图 3. 15 三玫瑰线外形阻力计算 ...................................................................... 28 图 3. 16 改进三玫瑰线外形阻力计算 .............................................................. 28 图 3. 17 八玫瑰线外形阻力计算 ...................................................................... 29 图 3. 18 五玫瑰线外形阻力计算 ...................................................................... 29 图 4. 1 三因素中心复合试验的试验点分布 .................................................... 33 图 4. 2 二因素四水平拉丁方试验设计样本点随机分布 ................................ 33 图 4. 3 拉丁方方法对角线型样本点可能分布 ................................................ 34
在飞艇外形优化的过程中本文引入代理模型的概念即采用拉丁超立方试验设计方法给出样本点kr近似方法建立了气动分析模块的代理模型从而在i框架中以飞艇重量最小为设计目标进行平流层飞艇外形优化设计
平流层飞艇总体性能与技术研究
摘
要
平流层飞艇以其巨大的通讯和军事价值，近三十年来一直受到世界各大军 事强国关注。本文以我国平流层通信平台的预研项目为背景，首先总结了平流 层飞艇的特点、应用、系统组成和相关技术；然后对平流层飞艇概念性设计中 的几何建模、外形优化和参数分析方面展开研究。 本文自编程序实现了平流层飞艇的参数化建模，从而能够快速地获得不同 截面外形和几何参数下的气动分析模型，为飞艇的外形设计节省大量的时间。 同时试算了双纽线、玫瑰线等外形下飞艇阻力特性，发现当飞艇长细接近于 4 时，飞艇既适合于控制，又能产生足够的浮力，因此本文提出了一种改进的三 叶玫瑰线外形方案。在飞艇外形优化的过程中，本文引入代理模型的概念，即 采用拉丁超立方试验设计方法给出样本点， Kriging 近似方法建立了气动分析模 块的代理模型，从而在 Isight 框架中，以飞艇重量最小为设计目标进行平流层 飞艇外形优化设计。最后在外形优化设计的基础上，分析动力、材料、能源等 技术参数的提高对当前飞艇重量和尺寸的影响，指出目前平流层飞艇技术发展 的方向。
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平流层飞艇总体性能与技术研究
图 4. 4 NACA0012 翼型 ........................................................................................37 图 4. 5 飞艇长 200m 时的尾翼外形平面图 .......................................................37 图 4. 6 阻力系数代理模型各样本点数值 .........................................................38 图 4. 7 设计空间边缘样本点的预测误差与 MGAERO 计算结果比较 ...............39 图 4. 8 样本点（200，50，80）处模型预测值随 L 的变化趋势 ...................39 图 4. 9 样本点（200，50，80）处模型预测值随 s1 的变化趋势 ...................40 图 4. 10 样本点（200，50，80）处模型预测值随 s2 的变化趋势 .................40 图 5. 1 平流层平台主要重量构成 .....................................................................42 图 5. 2 燃料电池的工作原理 .............................................................................44 图 5. 3 平流层飞艇外形优化的流程 .................................................................46 图 5. 4 Isight 中集成的实现飞艇表面积和浮力计算的 C 程序 ....................46 图 5. 5 代理模型参数设置 .................................................................................47 图 5. 6 Isight 优化分析中飞艇重量的计算历程 ............................................48 图 5. 7 I-sight 优化分析中飞艇长度的计算历程 ..........................................48 图 5. 8 参数分析 Pareto 图 ...............................................................................49 图 5. 9 漂浮气体体积比重的增加对飞艇重量的影响 .....................................50 图 5. 10 电动机效率的提高对飞艇重量的影响 ...............................................50 图 5. 11 结构材料的改进对飞艇重量的影响 ...................................................50 图 5. 12 蒙皮材料的改进对飞艇重量的影响 ...................................................51 图 5. 13 气囊材料的改进对飞艇重量的影响 ...................................................51 图 5. 14 螺旋桨效率的提高对飞艇重量的影响 ...............................................51 图 5. 15 燃料电池技术的发展对飞艇重量的影响 ...........................................52 图 5. 16 太阳能电池技术的发展对飞艇重量的影响 .......................................52 图 5. 17 蓄电池技术的发展对飞艇重量的影响 ...............................................52 图 5. 18 有效载荷的增加对飞艇重量的影响 ...................................................53 图 5. 19 各参数对平流层飞艇长度的影响 .......................................................53 表 2. 1 各漂浮气体的性能价格比较 ...................................................................9 表 3. 1 迎角为 0 时，各种外形飞艇的阻力系数比较 .....................................28 表 4. 1 L9 (33 ) 正交表 ..........................................................................................32 表 5. 1 外形优化问题设计变量的取值范围 ............................................................ 45