复杂热环境下的临近空间飞艇热动力学时空演化特征与热力控制方法研究

A near-space airship, as a new kind of craft having many different applications, is becoming an active research field recently. Since in principle it realizes station-keeping by internal lifting gas, the thermodynamic status of the internal gases has crucial effects on the flight behavior and safety of the airship (which is also called thermal vehicle). The subcool and superheat problems during the ascending/station-keeping/descending process are paid more and more attentions and become fundamental problems need to be solved. In this project, the airship will be investigated from the view point of heat dynamics perspective, which is mainly concerning about its variation parameter, non-equilibrium, nonlinear characteristics and the space-time evolution behavior in the complex large-scope time-variation thermal conditions. The system dynamics method will be introduced to establish the heat dynamics model of the near-space airship and research the heat and mass transfer and interactive mechanism. Reasonable and feasible control methods of the thermodynamic parameters suitable for aerostats will also be explored. By means of system simulation tools, an optimize method will be proposed to solve the subcool and superheat problems, which should be the theoretical foundation for successful ascending and safety descending process of the near-space airship.

临近空间飞艇是临近空间资源开发利用的一种新型飞行器，具有广阔的应用前景，成为当前国际上的热点领域之一。由于它依靠内部浮升气体驻空，内部气体的热力学状态对其飞行状态和运行安全具有根本性影响，被称为"热飞行器"。其"升/驻/返"过程面临的"超冷"、"超热"等热问题逐渐得到重视，已成为迫切需要解决的基础性难题。本项目拟从热动力系统科学的角度考察具有变参数、非平衡、非线性特点的临近空间飞艇在大范围时变的复杂热环境条件下的时空演化特征，探寻热质传递及其相互作用机理，尝试采用系统动力学理论方法探索建立临近空间飞艇热动力学模型，并结合浮空器特点，探寻合理可行的热力参数控制方法，通过系统仿真手段，探索解决制约临近空间飞艇"升/驻/返"过程飞行安全的"超热"与"超冷"问题的优化手段，为实现临近空间飞艇的成功放飞和安全返回提供一定的理论依据。

临近空间浮空器热动力学特性及控制是实现成功放飞、长期驻留和安全返回的基础。本项目采用理论、数值仿真和实验相结合的方法系统地开展研究。（1）综合考虑外热流随昼夜、季节、运行高度变化等因素，建立了热环境模型并分析其变化特征。综合考虑浮空器表面外热流状态的差别以及内部气体的热力学过程，建立了多节点热动力学模型，并通过理论解和实验结果进行验证。（2）基于多节点热动力学模型，开发了仿真程序TACSA，开展了临近空间浮空器升驻返全过程热动力学特性研究。分析表明：上升过程中，由于内部气体随外界大气压力降低和排气过程产生热力学膨胀，会产生显著的“超冷”现象，由于超冷形成严重净重力效应，会威胁安全上升；驻空期间，由于太阳辐射、地面反照和地球红外辐射等综合影响，内部气体温度会明显高于环境大气温度产生“超热”现象，从而会导致气囊“超压”，对结构安全和定点驻留造成重要影响；下降过程由于气体随外界大气压力增加和吸气过程产生热力学压缩，产生显著的“超热”现象，由于超热会造成严重净浮力状态，会给正常下降带来巨大挑战。（3）针对热效应难题，提出自然能驱动的轨迹可控临近空间浮空器方案，利用超热效应和风场作用，进行浮力调节和轨迹控制，实现区域长期驻留。通过热力参数分析和热力耦合动力学特性仿真，验证了区域控制的可行性。（4）建立了大型环境模拟实验系统，采用两组可控红外灯阵模拟太阳辐射、地球反照和红外辐射昼夜变化，分别对气球和飞艇缩比模型，首次开展浮空器在昼夜交变辐射环境下的热力特性地面原理实验，验证了热力学效应。（5）结合行星大气层温度梯度特征，利用浮空器和热机结合，提出了大气热能发电的新型热力循环，完成了理论模型和仿真验证。分析表明，通过浮空器产生的自持垂直往复振荡，可实现将低品位大气热能转换为电能。