摘
要： 在体积可变的情况下， 针对一次排气过程中压差和艇囊体积的动态变化， 利用伯努利方程和气体状
态方程， 揭示了飞艇的排气特性， 即压差的平方根随时间线性下降 。 进而提出一种排气阀效率和艇体变形的实验 方法， 可在飞艇集成测试中同步完成 。试验校验了飞艇的排气特性， 且飞艇体积变形率与压差成正比， 排气阀效率 压力和浮力控制提供参考 。 与标定结果一致。本文的结果可为飞艇总体设计 、 关键词： 平流层飞艇； 压力控制； 排气效率； 艇体变形 中图分类号： V245. 3 文献标识码： A 1328 （ 2016 ） 02015306 文章编号： 1000DOI： 10． 3873 / j． issn． 10001328． 2016． 02． 003
试验中发现（ 见第 3． 2 节 ） 飞艇艇体成型后， 纵 纵 向线变形很小。这一方面由于传统细长体艇型， 向应力小于环向应力， 另一方面是由于纵向焊缝的 约束。因此式（ 6 ） 可进一步简化为： δV δD ≈2 珚 珔 V D 1． 2 动态过程的排气特性 飞艇绝大多数排气过程集中在副气囊， 即排出 副气囊的空气以维持艇囊压差。 简单起见， 本文仅 针对副气囊排气过程进行推导。在主气囊应急排氦 时， 理论排气速度应由排氦阀内外压差和氦气密度 获得。对于副气囊， 囊体内外大气压由于重力作用 而囊体压差基本一致， 不随高度变 随高度略有变化， 化。记囊体内平均压强为 P in ， 环境大气压强为 P ， 则 P in = P + p ， 环境温度为 T ， 由理想气体状态方 程， 飞艇内空气质量 m 可写为 m（ t） = P in V P in （ 珔 V + δ V） = RT RT （ 8）
0304 ； 收稿日期： 2015［2 ］
。 飞艇的排气特性主要包
0518 修回日期： 2015-
基金项目： 装备预先研究项目（ 61501010206B）
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宇航学报
第 37 卷
前一个较为简单的方法是， 根据排气阀打开的时间 环境等信息， 实时获得飞艇各囊体体积及 以及压差、 排出气体体积， 从而获得精确的排氦量。 飞艇的净浮力也受到艇囊压差的影响， 压差越大 3］ 净浮力越小。文献［ 在热平衡状态下分析了不同压 差下飞艇净浮力的变化， 在富余升力 12% 的条件时， 在 体积不变的假设下， 压差在 750 Pa 时飞艇爬升过程甚 至可能出现静重。由于艇囊体积实际上随压差增大而 增大， 在飞艇净浮力的估算时具有较大的影响。 2 ） 压力保持和姿态调节 飞艇的排气能力制约了飞艇最大爬升速率 。放 飞艇副气囊体积由地面占比 90% 以上到 飞过程中， 驻空高度的几乎完全排空， 排气量巨大， 此时要求对 排气阀排气能力进行估计。飞艇排气系统性能对飞 艇安全至关重要， 洛克希德 － 马丁公司就将 HALED 飞艇飞行试验中止的直接原因归结于排气阀故障 而导致的排气不畅
［4 ］
兰盘安装在艇囊上， 利用电机对阀盖进行升降操作， 从而打开和关闭排气阀。这种排气阀通常只固定在 两个位置， 即完全打开和完全关闭， 而不在中间位置 停留。这种典型结构中， 排气通道受到阀盖影响， 排 气阀的排气效率也因此降低。
图1 Fig． 1
飞艇用排气阀结构图
Structure of valve for airships
·
珔 V = － γA （ 1 + εP in + εp） p RT 整理可得
槡
（ 11 ）
pP in 2 RT 槡 = － γA 槡 p 珔 V （ 1 + εP in + εp）
（ 12 ）
艇囊压差变形率通常很小， 式（ 12 ） 中 εp 与 εP in （ 5） 相比为小量， 可以忽略。此时可对式 （ 12 ） 进行变量 分离， 得： P in d槡 p RT / 2 γA 槡 槡 =－ 珔 dt V （ 1 + εP in ） （ 13 ）
Analysis of Exhaust Characteristics for Airships in Dynamic Process
2 MIAO JingGang1， ，ZHOU JiangHua1 ，YANG Xin1
（ 1． Academy of OptoElectronics，Chinese Academy of Science， Beijing 100094 ，China； 2． University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049 ， China）
0
引
言
括飞艇排气时的压差变化规律， 以及单位时间内排 出的气体流量。平流层飞艇的精确控制需要对飞艇 排气特性深入了解， 主要表现在以下两个方面： 1 ） 浮力的精确控制 平流层飞艇的放飞主要利用携带更多的氦气产 这部分氦气在飞艇达到压力高度 生富余升力实现， 时需要利用排气阀排放出去。 同时， 进入驻空飞行 阶段后， 受飞艇热特性变化影响， 氦气体积变化也会 导致应急排氦。过多和过少的氦气排放均会导致严 重的后果。由于缺乏气囊体积感知方法， 飞艇的囊 体内空气和氦气的体积往往难以准确实时获得 。当
［7 ］
（ 3）
， 用压差体积变形率
ε 来表示体积与压差之间的关系， 即 ε =－ 1 δV 1 V ≈－ 珔 δ V δp V δp
( )
( )
（ 4）
式中： 艇囊在压差 p 下的体积为 V ，δV 为体积变化 量， δp 为艇体压差相对 p 的变化量（ 对于超压气球， 珔为飞艇标称体积， 通常为高度变化所引发 ） 。V 即不 考虑加工和材料因素的设计体积。 考虑理想情况 下， 蒙皮材料的曲率变化与压差变化成正比
Abstract： Under the condition of the variable volume，the dynamic changes of the envelop volume and the differential pressure are analyzed by using Bernoulli equation and gas state equation． The result reveals that the square root of the differential pressure is linearly declined over the time． A kind of experimental method of valve efficiency and envelop deformation rate is put forward，which can be finished in integration test of the airship． Experimental result verifies the exhaust characteristics of the airship，meanwhile shows that the airship envelop deformation rate is proportional to the differential pressure，and the valve efficiency is consistent with the calibration result． The result of this paper can provide a reference for the airship overall design as well as pressure and buoyancy control． Key words： Stratosphere airship； Pressure control； Exhaust efficiency； Airship envelop deformation
第 37 卷 第 2 期 2016 年 2 月
宇
航
学
报
Journal of Astronautics
Vol． 37 No． 2 February 2016
动态过程的飞艇排气特性分析
1， 2 1 苗景刚 ，周江华 ，杨
新
1
（ 1． 中国科学院光电研究院，北京 100094 ； 2． 中国科学院大学，北京 100049 ）
平流层飞艇是指一种利用浮升气体 （ 通常为氦 气） 提供静升力， 依靠推进系统和控制系统在平流 层高度定点驻留或低速机动， 并完成特定任务的飞 载荷量大、 效费 行器。平流层飞艇具有留空时间长、 比高、 隐身性能好和生存能力强的优点 ， 成为近期各 国竞相研究的新领域
［1 － 2 ］
。
压力保持和浮力控制涉及到飞艇的安全、 升浮 特性以及对环境温度变化的适应能力， 是软式飞艇 控制的关键领域之一
v和 排气阀的排气效率 γ 定义为实际排气速度 ^ 理论排气速度 v 之比值， 即 γ = ^ v v （ 1）
。 同时， 放飞过程中可以利用
不同囊体结构 （ 如多个副气囊 ） 的调姿控制爬升速 率。各个副气囊体积的感知可以进入控制策略的反 提高控制精度。 馈过程， 针对飞艇的浮力和压力控制问题， 一些学者已经 展开了研究， 但在建模和控制系统设计时， 均将体积 5］ 作为常数。文献［ 建立了多气囊机构浮力调节动力 学方程， 并利用模糊方法设计了浮力调节控制器， 文 6］ 献［ 则考虑了超热条件下的飞艇压力控制。此时若 单纯以压差进行排气量估计， 会带来较大误差。 气体的排出会引起飞艇体积变化， 通过研究排气 阀开关时间和飞艇体积变化之间的关系， 可得到飞艇 利用伯 的排气特性。本文首先在体积可变的情况下， 努利方程和气体状态方程， 揭示了一次排气过程中压 差随时间的变化规律及其与排气阀效率的关系。针 对飞艇排气阀效率的标定和测试的实际需求， 在飞艇 体积变形与压差成正比的假设下， 设计了测定排气阀 在验证飞艇内场集成测试中 效率的试验方法。最后， 完成了上述试验， 获取了飞艇压差变化曲线和排气阀 排气效率， 从而建立了飞艇的排气特性。 1 1． 1 排气特性 排气阀效率与体积变形 排气阀用于排出艇囊内的气体。 图 1 是一种 典型的飞艇用排气阀的结构图。排气阀通过密封法