【摘要】：平流層飛艇為實現(xiàn)其長期駐空和可重復使用,需要可靠有效的環(huán)控系統(tǒng)實現(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)“。鼓風機是環(huán)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,其實現(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機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)鼓風機存在顯著差別,故需要針對平流層飛艇所使用的鼓風機進行研究和設計。本文以平流層飛艇所使用的鼓風機為研究對象,對其進行了設計,并對其高低空性能進行分析研究。建立了基于半經(jīng)驗公式的離心和軸流鼓風機初步設計分析方法,然后使用Cfturbo和Pumplinx軟件對設計的鼓風機進行模擬仿真,分析其高低空性能,為平流層飛艇鼓風機的進一步研究打下基礎。論文主要工作如下:首先,針對平流層飛艇降落時對鼓風機的需求進行了分析,基于標準大氣環(huán)境模型,針對典型平流層飛艇下降過程對鼓風機的總體積流量與下降速度和高度之間的關(guān)系進行了分析,并得出了飛艇整個下降過程鼓風機需要的總能量,給出平流層飛艇可用鼓風機類型及其特點。其次,建立了離心鼓風機一維特性分析方法,通過離心鼓風機的幾何參數(shù)和鼓風機各組成部分的能量損失之間的關(guān)系,形成了鼓風機特性的一維分析方法,并通過具有詳細幾何參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)的泵對形成的方法的有效性和精度進行了驗證。所形成的估算方法可快速準確地給出離心鼓風機在特定幾何參數(shù)和工況下的特性,可作為離心鼓風機初步設計的工具。對于軸流鼓風機,給出了基于孤立葉型設計法,設計了可滿足高空特定平流層飛艇下降需求的軸流鼓風機,并且使用Cfturbo軟件對其進行建模,得出其三維模型。接著,給出針對鼓風機設計可采用的高精度的建模工具-CFturbo,和CFD數(shù)值求解方法-PumpLinx。這兩個軟件可實現(xiàn)鼓風機數(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、流場計算、后處理并驗證是否能達到要求等步驟。通過標模泵對建模及數(shù)值分析方法進行了驗證。最后,根據(jù)兩萬米高空下特定的工況,設計了離心鼓風機和軸流鼓風機,并對其駐空特性以及下降過程的特性進行了詳細的分析。得出以下結(jié)論:這兩類鼓風機在輸入功率和壓差一定的條件下,鼓風機的效率(不考慮電機效率變化)和實際體積流量會隨高度的降低而減小;隨著高度的降低,鼓風機的流量系數(shù)逐漸增大,壓力系數(shù)逐漸降低,功率系數(shù)和效率也會逐漸降低。但其所對應的鼓風機的比轉(zhuǎn)數(shù)在逐漸增大。另外,還對這兩類鼓風機的幾何參數(shù)進行了敏感度分析,通過鼓風機幾何參數(shù)敏度分析得出影響鼓風機特性的關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律,可為離心式鼓風機的優(yōu)化設計提供參考。另外,根據(jù)以上兩種鼓風機的設計及分析,比較兩種風機的優(yōu)缺點,為平流層不同需求的飛艇對風機選擇提供了基礎。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V274
【圖文】：

上海交通大學碩士學位論文第一章 緒論1.1 研究背景及研究意義1.1.1 課題背景上世紀七十年代，人類慢慢開始對飛艇進行大量的研究，同時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、導航、預警、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)星進行電視轉(zhuǎn)播，監(jiān)視，通訊，實驗等。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。可以豪不夸大的說：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配有太陽能電池，以為其動力系統(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：（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，而且一般的飛機無法達到此高度，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，僅需相對較少的動力抗風及機動飛行，設計工作時長可達數(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)行任務的，相比于飛機而言高度高、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）項目等[15-17]。AA）項目如圖 1-3 所示[18]，此飛艇的主要任導彈。此飛艇的設計目標是在兩萬米高空能檢測，后期也可以裝備武器系統(tǒng)。此項目由美洛·馬公司對制造完成的演示樣機 HALE-D 進行 高度時出現(xiàn)技術(shù)異常（空氣閥門結(jié)冰無法正常 長 73.2m，體積 14150m3，設計飛行高度 182，留空時間 15 天。

【參考文獻】

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1 鄭萌;王振華;趙競?cè)?朱磊;;基于神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的軸流風扇優(yōu)化計算[J];風機技術(shù);2014年05期

2 田夫;袁國凱;趙真真;王曉放;王爽;趙斌;;單葉輪軸流通風機的葉片扭曲規(guī)律研究及薄葉型設計[J];風機技術(shù);2014年05期

3 王蓮英;楊柳;張功學;馬翔;;平流層飛艇的關(guān)鍵技術(shù)探討[J];飛航導彈;2013年07期

4 趙燕杰;韓強;李景銀;;新型地鐵風機動葉安裝角度的變化對風機性能的影響[J];風機技術(shù);2011年05期

5 羅松;向毅;;對旋軸流式通風機不同翼型葉片氣動性能實驗研究[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2008年S1期

6 陳文英;陳玲;;美軍高空飛艇[J];江蘇航空;2007年03期

7 崔慶友;陳中才;昌澤舟;;對旋軸流通風機最優(yōu)輪轂比的研究[J];風機技術(shù);2006年06期

8 侯東興;劉東紅;;浮空器在軍事斗爭中的應用及發(fā)展趨勢[J];航空兵器;2006年03期

9 王少偉;;平流層信息平臺技術(shù)的發(fā)展及應用前景[J];地面防空武器;2006年02期

10 王仲奇,鄭嚴;葉輪機械彎扭葉片的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];中國工程科學;2000年06期

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1 初雷哲;高轉(zhuǎn)速高壓比離心壓氣機內(nèi)部流動研究[D];中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）;2008年

本文編號：2765852