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(fù)合姿態(tài)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(huán)境下的超熱特性,會引起系統(tǒng)凈浮力晝夜周期性變化,對其工作能力構(gòu)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(shù),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(fù)合姿態(tài)下表面太陽輻射熱流分布的通用計算方法,為其他形態(tài)的熱輻射計算、太陽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);太陽輻射;計算方法
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,飛艇以定點長時滯空的特點,在通信、測量、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域作為空中平臺的商業(yè)應(yīng)用前景和戰(zhàn)略價值不斷受到關(guān)注[1,2]。
對于飛艇而言,以太陽輻射為主的空間熱輻射環(huán)境[3]會引起其超熱呈現(xiàn)晝夜周期性變化特征,導(dǎo)致飛艇晝夜溫差過大,平衡重量周期波動,不利于飛艇的長期穩(wěn)定駐空。因此,溫度控制成為飛艇研制過程的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。
從循序漸進的角度考慮,飛艇熱特性分析是開展熱設(shè)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(xué)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(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輻射特性為切入點,引入飛艇運動姿態(tài)和太陽輻射影響參數(shù),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(fù)合姿態(tài)下飛艇表面受太陽輻射熱流的通用計算方法。
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(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,太陽高度角,太陽方位角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、太陽輻射對應(yīng)關(guān)系見圖1。
圖1飛艇、地表坐標(biāo)系、太陽輻射對應(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)系進行變換:
2.2計算網(wǎng)格構(gòu)建
采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計C++語言進行編程,通過無限插值數(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)下的飛艇表面計算網(wǎng)格,如圖2。
2.3輻射熱流計算
通過網(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(tǒng)一簡化為:
以合肥地區(qū)2014年5月15日13:00為例,太陽輻射常數(shù)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(guān)角度參數(shù)是關(guān)于地理緯度、季節(jié)、時間等參數(shù)的函數(shù),對具體狀態(tài)的輻射熱流分布分析需具體考慮這些因素的影響。
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(tài)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(jù);并為后續(xù)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(yīng)力分析提供研究基礎(chǔ)。
參考文獻:
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[4]陶文銓,數(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)計準(zhǔn)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(shù)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(shè)計與熱分析。