【摘要】：平流層飛艇為實(shí)現(xiàn)其長期駐空和可重復(fù)使用,需要可靠有效的環(huán)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其在升降及駐空階段的形態(tài)和壓差,該系統(tǒng)可稱為飛艇的“呼吸系統(tǒng)“。鼓風(fēng)機(jī)是環(huán)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,其實(shí)現(xiàn)將外界環(huán)境的空氣鼓入超壓囊體的功能。平流層飛艇使用的鼓風(fēng)機(jī)需要抵抗幾百帕的壓差,另外在20km高空,大氣密度很低,這些方面與常規(guī)鼓風(fēng)機(jī)存在顯著差別,故需要針對平流層飛艇所使用的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。本文以平流層飛艇所使用的鼓風(fēng)機(jī)為研究對象,對其進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對其高低空性能進(jìn)行分析研究。建立了基于半經(jīng)驗(yàn)公式的離心和軸流鼓風(fēng)機(jī)初步設(shè)計(jì)分析方法,然后使用Cfturbo和Pumplinx軟件對設(shè)計(jì)的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬仿真,分析其高低空性能,為平流層飛艇鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。論文主要工作如下:首先,針對平流層飛艇降落時(shí)對鼓風(fēng)機(jī)的需求進(jìn)行了分析,基于標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境模型,針對典型平流層飛艇下降過程對鼓風(fēng)機(jī)的總體積流量與下降速度和高度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,并得出了飛艇整個(gè)下降過程鼓風(fēng)機(jī)需要的總能量,給出平流層飛艇可用鼓風(fēng)機(jī)類型及其特點(diǎn)。其次,建立了離心鼓風(fēng)機(jī)一維特性分析方法,通過離心鼓風(fēng)機(jī)的幾何參數(shù)和鼓風(fēng)機(jī)各組成部分的能量損失之間的關(guān)系,形成了鼓風(fēng)機(jī)特性的一維分析方法,并通過具有詳細(xì)幾何參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的泵對形成的方法的有效性和精度進(jìn)行了驗(yàn)證。所形成的估算方法可快速準(zhǔn)確地給出離心鼓風(fēng)機(jī)在特定幾何參數(shù)和工況下的特性,可作為離心鼓風(fēng)機(jī)初步設(shè)計(jì)的工具。對于軸流鼓風(fēng)機(jī),給出了基于孤立葉型設(shè)計(jì)法,設(shè)計(jì)了可滿足高空特定平流層飛艇下降需求的軸流鼓風(fēng)機(jī),并且使用Cfturbo軟件對其進(jìn)行建模,得出其三維模型。接著,給出針對鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)可采用的高精度的建模工具-CFturbo,和CFD數(shù)值求解方法-PumpLinx。這兩個(gè)軟件可實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)數(shù)模到數(shù)值求解的無縫連接,從而可快速生成流場網(wǎng)格、流場計(jì)算、后處理并驗(yàn)證是否能達(dá)到要求等步驟。通過標(biāo)模泵對建模及數(shù)值分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,根據(jù)兩萬米高空下特定的工況,設(shè)計(jì)了離心鼓風(fēng)機(jī)和軸流鼓風(fēng)機(jī),并對其駐空特性以及下降過程的特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。得出以下結(jié)論:這兩類鼓風(fēng)機(jī)在輸入功率和壓差一定的條件下,鼓風(fēng)機(jī)的效率(不考慮電機(jī)效率變化)和實(shí)際體積流量會(huì)隨高度的降低而減小;隨著高度的降低,鼓風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)逐漸增大,壓力系數(shù)逐漸降低,功率系數(shù)和效率也會(huì)逐漸降低。但其所對應(yīng)的鼓風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)在逐漸增大。另外,還對這兩類鼓風(fēng)機(jī)的幾何參數(shù)進(jìn)行了敏感度分析,通過鼓風(fēng)機(jī)幾何參數(shù)敏度分析得出影響鼓風(fēng)機(jī)特性的關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律,可為離心式鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。另外,根據(jù)以上兩種鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)及分析,比較兩種風(fēng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),為平流層不同需求的飛艇對風(fēng)機(jī)選擇提供了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V274
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論1.1 研究背景及研究意義1.1.1 課題背景上世紀(jì)七十年代，人類慢慢開始對飛艇進(jìn)行大量的研究，同時(shí)由研究低空飛艇慢慢也研究高空飛艇（平流層區(qū)域）。平流層飛艇在軍用和民用方面都具有重大意義。在軍用方面，它可以為軍事提供通信、導(dǎo)航、預(yù)警、偵查等。在民用方面，如圖 1-1 所示[1]，平流層飛艇可以代替衛(wèi)星進(jìn)行電視轉(zhuǎn)播，監(jiān)視，通訊，實(shí)驗(yàn)等。所以，不論是從民用方面還是從軍用方面，高空飛艇都能起到巨大的作用�？梢院啦豢浯蟮恼f：臨近空間資源豐富，誰先用了該技術(shù)，誰就擁有了臨近空間的資源。

圖 1- 2 大氣分層和各相飛行器Fig.1-2 Atmospheric stratification and related aircraft at all levels平流層飛艇作為高空浮空器的典型代表，受到各國的關(guān)注及研究。另外，平流層飛艇還包含能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)以及載荷系統(tǒng)等。平流層飛艇一般都會(huì)配有太陽能電池，以為其動(dòng)力系統(tǒng)提供電能。平流層飛艇相比于其他飛行器具有無可替代的優(yōu)點(diǎn)：（1）平流層飛艇具有區(qū)域優(yōu)勢，20km 到 50km 高空大氣環(huán)境相對比較穩(wěn)定，而且一般的飛機(jī)無法達(dá)到此高度，衛(wèi)星在 100km 以上的區(qū)域，故此區(qū)域空間比較大，資源豐富。（2）滯空時(shí)間長。平流層飛艇是依據(jù)浮力原理，依靠凈浮力與自身重量相平衡的狀態(tài)懸浮在空中，僅需相對較少的動(dòng)力抗風(fēng)及機(jī)動(dòng)飛行，設(shè)計(jì)工作時(shí)長可達(dá)數(shù)月乃至數(shù)年。（3）覆蓋面積廣。平流層飛艇是在距地面 20 公里的高度駐空執(zhí)行任務(wù)的，相比于飛機(jī)而言高度高、視野廣。

飛艇發(fā)展現(xiàn)狀，人類對平流層的關(guān)注也越來越多，世界各流之中。期，美國等一些發(fā)達(dá)國家就投入了大量的人研發(fā)。在軍事方面，美國研發(fā)的有“高空飛艇tinel）項(xiàng)目等[15-17]。AA）項(xiàng)目如圖 1-3 所示[18]，此飛艇的主要任導(dǎo)彈。此飛艇的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在兩萬米高空能檢測，后期也可以裝備武器系統(tǒng)。此項(xiàng)目由美洛·馬公司對制造完成的演示樣機(jī) HALE-D 進(jìn)行 高度時(shí)出現(xiàn)技術(shù)異常（空氣閥門結(jié)冰無法正常 長 73.2m，體積 14150m3，設(shè)計(jì)飛行高度 182，留空時(shí)間 15 天。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2765852