第11章-飛艇空氣動(dòng)力學(xué)(1)

第11章飛艇空氣動(dòng)力學(xué)(1)1飛艇簡(jiǎn)介1.1飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理浮空器(aerostat):主要基于空氣靜力學(xué)原理，依靠浮力平衡重力的一類飛行器，主體由一個(gè)或多個(gè)囊體組成，囊體中充入輕于空氣的氣體。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理浮空器(aerostat):包括飛艇(airship)和系留氣球(tetheredballoon).飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇(airship):也稱飛船(dirigible)，帶有推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的浮空器.當(dāng)飛艇的動(dòng)力設(shè)備不工作時(shí)就相當(dāng)于自由氣球。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇可以分為以下四類：（1）軟式飛艇(nonrigidairship或blimp)飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇可以分為以下四類：（2）硬式飛艇(rigidairship)飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇可以分為以下四類：（3）半硬式飛艇(semi-rigidairship)飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理飛艇可以分為以下四類：（4）熱空氣飛艇(hotairairship或thermalairship)軟式飛艇軟式飛艇通常由巨大的充滿氦氣的氣囊組成，氣囊內(nèi)部一般布置一前一后兩個(gè)內(nèi)充壓縮空氣的副氣囊來(lái)控制飛艇的高度和俯仰姿態(tài)。

Goodyear（軟式飛艇）軟式飛艇氣囊內(nèi)壓力通常比環(huán)境高300~500Pa，用來(lái)維持整個(gè)飛艇的氣動(dòng)外形。

Goodyear（軟式飛艇）軟式飛艇飛艇的尾部設(shè)有尾翼用以控制飛艇的姿態(tài)。

Goodyear（軟式飛艇）軟式飛艇在氣囊下部掛載艙體用于裝載貨物或人員。

軟式飛艇硬式飛艇硬式飛艇通常由剛性骨架外罩蒙布或鋁制薄皮構(gòu)成，用以維持飛艇的流線型外形和連接各部分部件。

硬式飛艇硬式飛艇硬式飛艇的蒙皮不需要保證氣密性，它的氦氣充在艇身內(nèi)部分布的許多小氣囊中，每個(gè)小氣囊固定在艇身內(nèi)部由隔筐分割的小氣室內(nèi)。

硬式飛艇硬式飛艇眾多小氣囊可以提高飛艇的抗損性和安全性。若其中一部分小氣囊受損，整個(gè)飛艇的浮力不會(huì)完全喪失。

硬式飛艇硬式飛艇硬式飛艇通常體積巨大，可以攜帶較多的人員或貨物。

硬式飛艇半硬式飛艇半硬式飛艇通常由下部的縱向龍骨和連接在上面的壓力氣囊構(gòu)成。半硬式飛艇半硬式飛艇其中龍骨既為氣囊提供一定的強(qiáng)度，又能夠懸掛艙體用于攜帶有效載荷，可以看作是在軟式飛艇的基礎(chǔ)上添加了提升強(qiáng)度的龍骨結(jié)構(gòu)。半硬式飛艇熱空氣飛艇熱空氣飛艇與軟式飛艇的結(jié)構(gòu)相似，只是氣囊內(nèi)部填充熱空氣用以產(chǎn)生升力，是從熱氣球演化過(guò)來(lái)的一種可以維持流線型外形的飛艇。熱空氣飛艇飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理由于蒙皮是柔彈性材料，只有依靠張應(yīng)力才能保持一定的外形，這就要求氣囊內(nèi)部對(duì)外部維持一個(gè)正壓力差

p飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理在靜態(tài)情況下，保持氣囊外形所需的壓力差設(shè)為p0，該值與蒙皮的零應(yīng)力外形有關(guān)。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理實(shí)際壓力差大于p0，則氣囊保持外形的能力更強(qiáng)；實(shí)際壓力差小于p0，則導(dǎo)致氣囊發(fā)生不同程度的變形。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理當(dāng)飛艇飛行時(shí)，由于外部流動(dòng)改變了壓力分布，流速減小的地方外表面壓力升高，內(nèi)外壓差減小。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理其中前駐點(diǎn)的外表面壓力最高，內(nèi)外壓差減小得最厲害，最容易發(fā)生變形。飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理因此，為了保持氣囊的整體外形，要求飛艇在最大飛行速度時(shí)前駐點(diǎn)的內(nèi)外壓力差不低于p0，臨界條件為：飛艇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理工程算法采用經(jīng)驗(yàn)公式：Vmax的單位為km/h，p的單位為Pa飛艇產(chǎn)生浮力的原理飛艇主要依靠浮力來(lái)克服重力，而浮力主要來(lái)自飛艇的氣囊。飛艇的凈浮力為：Ln為凈浮力，Vgb為飛艇氣囊的體積。飛艇產(chǎn)生浮力的原理飛艇氣囊產(chǎn)生的浮力可以通過(guò)改變氣囊的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)飛艇的上升和下降。飛艇產(chǎn)生浮力的原理例如，對(duì)于軟式飛艇，通過(guò)副氣囊膨脹壓縮主氣囊的體積，從而飛艇受到的凈浮力減小，飛艇下降；反之，飛艇上升。飛艇產(chǎn)生浮力的原理硬式飛艇也可以采用這種方式進(jìn)行高度控制。飛艇產(chǎn)生浮力的原理這也是飛艇發(fā)射與回收的基本方式。飛艇產(chǎn)生推力的原理飛艇由于對(duì)地面定點(diǎn)懸停和運(yùn)輸貨物等的需要，必須采用推進(jìn)裝置來(lái)克服風(fēng)阻。飛艇產(chǎn)生推力的原理傳統(tǒng)飛艇通常使用內(nèi)燃機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)，螺旋槳作為推進(jìn)器。飛艇產(chǎn)生推力的原理新式飛艇則采用了更多形式的推進(jìn)方式，如電力、微波、核、太陽(yáng)能等。飛艇產(chǎn)生推力的原理飛行于平流層（海拔20~30KM）的高空飛艇，由于有長(zhǎng)久駐留的需要，傳統(tǒng)的推進(jìn)方式所攜帶的燃料不能維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，而要利用太陽(yáng)能的形式從環(huán)境中獲取能量。飛艇產(chǎn)生推力的原理因此各國(guó)研制的高空飛艇（或平流層飛艇）均采用使用太陽(yáng)能的推進(jìn)方式。飛艇產(chǎn)生推力的原理使用太陽(yáng)能的工作原理：白天太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，一部分直接供給螺旋槳產(chǎn)生推力；飛艇產(chǎn)生推力的原理使用太陽(yáng)能的工作原理：另一部分輸入到再生式燃料電池中以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，等到夜晚的時(shí)候再以電能的形式輸出，供螺旋槳產(chǎn)生推力。飛艇氣動(dòng)控制的原理飛艇在運(yùn)行過(guò)程中將受到空氣對(duì)它的作用，包括氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩。飛艇氣動(dòng)控制的原理其中，氣動(dòng)力主要包括升力和阻力。飛艇氣動(dòng)控制的原理力矩可以分解為三個(gè)方向：滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩和偏航力矩。飛艇氣動(dòng)控制的原理飛艇的上升與下降可以通過(guò)調(diào)節(jié)副氣囊的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)飛艇的俯仰角改變動(dòng)升力來(lái)實(shí)現(xiàn)。飛艇氣動(dòng)控制的原理飛艇的姿態(tài)則可以通過(guò)尾翼來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中平尾上的襟翼和升降舵可以控制飛艇的俯仰，立尾上的方向舵可以控制飛艇的偏航。飛艇氣動(dòng)控制的原理也可以通過(guò)調(diào)節(jié)前后副氣囊的體積大小，從而改變浮心（浮力的作用點(diǎn)稱為浮心）來(lái)調(diào)整姿態(tài)。飛艇氣動(dòng)控制的原理例如，前副氣囊向外排出一些空氣，后副氣囊向內(nèi)吸入一些空氣，于是飛艇的浮心便相對(duì)水平狀態(tài)向前移動(dòng)，相對(duì)重心產(chǎn)生了抬頭力矩。反之，使飛艇低頭。飛艇氣動(dòng)控制的原理飛艇的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的調(diào)整沒(méi)有飛機(jī)那樣高的靈活性，主要原因是飛艇體積龐大，相比一般飛行器具有很大的附加慣性。1.2飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史1852年9月24日，法國(guó)人亨利吉法爾制成世界第一艘飛艇。裝有三角形尾舵，蒸汽機(jī)功率2.2KW，螺旋槳直徑2.13m，螺旋槳轉(zhuǎn)速110r/min飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史1884年8月9日，法國(guó)人列納爾成功試飛由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“法蘭西”號(hào)全向操縱型飛艇。電動(dòng)機(jī)功率6.6KW，螺旋槳直徑9m。飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史1900年7月2日，德國(guó)的齊伯林伯爵制成他的第一艘充氫硬式飛艇，并試飛成功（可載1名乘員和5名乘客），飛行時(shí)間20min.飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史1937年德國(guó)齊伯林公司的興登堡號(hào)飛艇飛抵美國(guó)新澤西州的萊克赫斯特上空系留停泊時(shí)起火失事后，飛艇的“黃金時(shí)代”戛然而止。飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史1994年德國(guó)人加布連茨宣布復(fù)興飛艇，從此飛艇又以驚人的速度得以發(fā)展。飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史艇殼結(jié)構(gòu)普遍從軟式改為硬式（至少是半硬式），浮力工質(zhì)從易燃易爆的氫氣改為惰性氣體氦氣。飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史現(xiàn)在的飛艇研制包括各種大型的軍用或民用飛艇，也包括各種中小型多用途飛艇。飛艇的運(yùn)營(yíng)成本比飛機(jī)和直升機(jī)低很多。飛艇的發(fā)展簡(jiǎn)史美國(guó)開(kāi)始研制的“巨型軍事運(yùn)輸飛艇”（“海象”號(hào)），設(shè)計(jì)載重500~1000t，能在四天之內(nèi)把一個(gè)1800人的作戰(zhàn)部隊(duì)和裝備運(yùn)送到世界任何地方?！熬扌蛙娛逻\(yùn)輸飛艇”（“海象”號(hào)）長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇除了發(fā)展傳統(tǒng)低空飛艇，長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇（主要是平流層飛艇）開(kāi)始得到各國(guó)的重視。長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇主要應(yīng)用于平流層通信和在軍事上獲得持續(xù)持久的空間效果。美國(guó)長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇HAA將主要用于導(dǎo)彈防御，能夠以15.4m/s的速度飛行于18.3km的高空。HAA計(jì)劃將在2009年進(jìn)行35天左右的試飛。HighAltitudeAirship美國(guó)長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目平流層飛艇

Stratellite主要作為商用信息平臺(tái)。平流層衛(wèi)星Stratellite俄羅斯長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目俄羅斯的HAABerkut，飛行高度20~23km，將用于大面積的多種通信、廣播和觀測(cè)任務(wù)。俄羅斯HAABerkut日本長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目日本平流層飛艇（飛行高度：20km）韓國(guó)長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目韓國(guó)平流層飛艇（飛行高度：20km）歐洲長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目歐洲航天局的HALE（飛行高度：21.35km）HALE是一個(gè)在21.35km的平流層長(zhǎng)久定點(diǎn)駐空的無(wú)人駕駛飛艇，飛艇采用流線型設(shè)計(jì)，能夠?qū)Ψ綀A643km的巨大區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。以色列長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目以色列平流層飛艇（飛行高度：21km）德國(guó)長(zhǎng)航時(shí)高空飛艇項(xiàng)目德國(guó)Cargolifter試驗(yàn)飛艇（飛行高度：10km）國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究的飛艇主要飛行在5km以下的空中，多采用地面遙控的方式進(jìn)行飛行，也有部分采用系留的方式。國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀這些飛艇多用于地面監(jiān)測(cè)、航拍、廣告、空中巡邏等方面，也有一些為未來(lái)開(kāi)展平流層飛艇進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀2003年開(kāi)始研制，上海交通大學(xué)參與研制，目前國(guó)內(nèi)體積最大，升空高度最高?？蓴y帶200kg的任務(wù)載荷飛行在5km高空，留空時(shí)間7h，最大飛行速度30m/s天舟02國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀2006年開(kāi)始研制，清華大學(xué)參與研制，最大飛行高度3500m，最大飛行速度90km/h，最大載荷50~100kg.AAS-Ⅲ國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀2004年首次試飛，成都神舟飛行器有限公司制造，飛行高度2500m，飛行速度75km/h，有效載荷35kg。具有地面監(jiān)測(cè)、航拍、高空大氣采樣等多方面用途。開(kāi)拓者3號(hào)國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀2001研制，2002年5月首次試飛成功，北京華教聯(lián)合飛艇制造公司研制，最大飛行高度2000m，最大速度65km/h，最大續(xù)航時(shí)間8h，可攜帶2名乘員。是我國(guó)第一艘具有正規(guī)資質(zhì)的載人飛艇。HJ-200國(guó)內(nèi)飛艇發(fā)展現(xiàn)狀2004成功地進(jìn)行了1km升空試驗(yàn)，中國(guó)航空工業(yè)第605所自行研制，飛行高度1000m，載重150kg，可長(zhǎng)時(shí)間在空中滯留，并搭載有多種通信設(shè)備，可作為一個(gè)空中網(wǎng)絡(luò)化信息化的平臺(tái)。哨兵32基本概念2.1基本參數(shù)幾何參數(shù)描述飛艇外形及尺寸的參數(shù)主要有三個(gè)：總長(zhǎng)度l，最大直徑d，長(zhǎng)細(xì)比f(wàn)幾何參數(shù)總長(zhǎng)度l，指的是飛艇最前端到最末端的距離。幾何參數(shù)最大直徑d

，指的是艇身回轉(zhuǎn)體表面最粗截面的直徑。幾何參數(shù)長(zhǎng)細(xì)比f(wàn)

，是總長(zhǎng)度l和最大直徑d的比值。幾何參數(shù)飛艇的當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)

：飛艇的總長(zhǎng)度l，飛行速度V和當(dāng)?shù)乜諝獾倪\(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)

。幾何參數(shù)飛艇的體積與飛艇所受的浮力有關(guān)。飛艇的表面積決定了飛艇蒙皮的重量，與飛艇的自重密切相關(guān)。幾何參數(shù)傳統(tǒng)飛艇的艇身一般為回轉(zhuǎn)體外形，可以根據(jù)飛艇的輪廓線R=R(x)來(lái)計(jì)算飛艇的體積和表面積。幾何參數(shù)工程上有一些簡(jiǎn)單的估算方法，通過(guò)外形之間的相似關(guān)系確定飛艇的體積和表面積。其中，A表示飛艇的最大橫截面積；Cv和Cs分別是體積系數(shù)和表面積系數(shù)，可根據(jù)相似外形的飛艇模型來(lái)獲得。幾何參數(shù)環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)反映了飛艇在飛行過(guò)程中周圍大氣的環(huán)境特點(diǎn)，主要包括海拔高度h以及當(dāng)?shù)氐拇髿饷芏?、壓力、溫度等參?shù)。環(huán)境參數(shù)此外，大氣的風(fēng)場(chǎng)也影響到飛艇的抗風(fēng)性能。由于飛艇的飛行速度較低，所以水平風(fēng)速對(duì)飛艇相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)影響較大。環(huán)境參數(shù)飛艇相對(duì)地面的行進(jìn)速度Vg是飛艇相對(duì)空氣的速度V與水平風(fēng)速Vw的矢量和。性能參數(shù)抗風(fēng)能力是衡量飛艇性能的一個(gè)主要參數(shù)，可以用速度來(lái)描述，包括巡航速度Vcruise和最大速度Vmax，也可以用螺旋槳能夠提供的最大推力T來(lái)描述。性能參數(shù)巡航速度Vcruise一般是發(fā)動(dòng)機(jī)每公里消耗燃料最少情況下的飛行速度。性能參數(shù)當(dāng)飛艇達(dá)到最大速度時(shí)，飛艇受到的阻力最大，此時(shí)。螺旋槳產(chǎn)生的推力達(dá)到最大狀態(tài)。性能參數(shù)此外，飛行時(shí)間、最大高度、爬升速率、有效載荷等也都是描述飛艇性能的常用參數(shù)。2.2附加慣性、表觀密度附加慣性假設(shè)飛艇在真空中作水平運(yùn)動(dòng)，飛艇在水平方向的運(yùn)動(dòng)方程為：F為飛艇所受推力，m為飛艇的質(zhì)量，a為飛艇的加速度附加慣性F為飛艇所受推力，m為飛艇的質(zhì)量，a為飛艇的加速度，D為空氣施加于飛艇上的阻力。假設(shè)飛艇在空氣中作水平運(yùn)動(dòng)，飛艇在水平方向的運(yùn)動(dòng)方程為：附加慣性飛艇在水平方向的運(yùn)動(dòng)方程令也可寫為：

為飛艇在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量。

為附加質(zhì)量系數(shù)，與飛艇的外形密切相關(guān)。附加慣性飛艇在空氣動(dòng)力學(xué)方面的一個(gè)顯著特性是它的附加慣性很大，因?yàn)轱w艇的體積龐大。表觀密度表觀密度：對(duì)于均勻密實(shí)的剛體，表觀密度就是剛體材料的物理密度。對(duì)于非均勻及空心的剛體，表觀密度就是把這樣的剛體看成均勻密實(shí)的剛體而從表觀上反映出來(lái)的等效密度。表觀密度飛艇的表觀密度為：飛艇的真實(shí)質(zhì)量飛艇的體積表觀密度飛艇在空氣中所受浮力大小等于它排開(kāi)空氣的重量：故飛艇的表觀密度空氣的當(dāng)?shù)孛芏雀郊用芏蕊w艇的附加密度為：飛艇的附加質(zhì)量飛艇的體積表觀密度附加質(zhì)量系數(shù)附加密度附加慣性系數(shù)為了定性討論某些一般特性，有時(shí)將飛艇外形簡(jiǎn)化成旋轉(zhuǎn)橢球，橢球的長(zhǎng)軸2a為艇身總長(zhǎng)度l,短軸2b為最大直徑d，長(zhǎng)短軸的比值a/b就對(duì)應(yīng)于飛艇的長(zhǎng)細(xì)比f(wàn)=l/d附加慣性系數(shù)將飛艇外形簡(jiǎn)化成旋轉(zhuǎn)橢球后，飛艇的附加慣性系數(shù)就可以參考旋轉(zhuǎn)橢球的附加慣性系數(shù)：K11為縱向，k22和k33為側(cè)向和法向附加慣性系數(shù)飛艇的側(cè)向和法向的附加慣性系數(shù)在0.5~1.0之間，附加質(zhì)量與真實(shí)質(zhì)量基本相當(dāng)，附加慣性力的影響非常顯著。K11為縱向，k22和k33為側(cè)向和法向附加慣性系數(shù)因此，飛艇在側(cè)向和法向的運(yùn)動(dòng)有很強(qiáng)的附加慣性效應(yīng)，不易控制，難以機(jī)動(dòng)。K11為縱向，k22和k33為側(cè)向和法向附加慣性系數(shù)相比側(cè)向和法向，飛艇在縱向的附加慣性系數(shù)較小，并且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大迅速減小。K11為縱向，k22和k33為側(cè)向和法向附加慣性系數(shù)因此，飛艇通常以艇首對(duì)風(fēng)姿態(tài)飛行，就是為了減小附加慣性的影響，易于控制飛行。K