本發(fā)明涉及一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于高空氣球的設(shè)計(jì)分析。

背景技術(shù)：

1、近年來，平流層浮空器的研究引起了各國(guó)的重視，許多研究機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用的研究。平流層浮空器位于航空器之上、航天器之下，具有多種類型，如高空氣球等。高空氣球具有留空時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行成本低、安全性好等諸多優(yōu)勢(shì)，在對(duì)地觀測(cè)、中繼通訊、預(yù)警監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高空氣球工作高度是其成功執(zhí)行任務(wù)的重要保障，因此建立對(duì)高空氣球飛行彈道快速預(yù)測(cè)方法，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化有重要意義。

2、當(dāng)前，部分研究基于飛行動(dòng)力學(xué)方法將氣球簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，建立質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算獲得其高度隨氣象條件及充氣壓力的變化；也有一部分通過商業(yè)計(jì)算軟件，研究了氣球在不同環(huán)境下的溫度、體積、壓力等熱力學(xué)變化。但氣球在高空充氣并不是簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)過程，一方面將經(jīng)歷復(fù)雜的大氣環(huán)境，大氣壓強(qiáng)和溫度等參數(shù)隨高度大幅度變化；另一方面它處于復(fù)雜的熱環(huán)境中，受到外部輻射以及大氣對(duì)流的影響。兩方面因素均可能導(dǎo)致氣球的外形發(fā)生劇烈變化，繼而引起其氣動(dòng)特性的改變。因此，在進(jìn)行彈道預(yù)測(cè)時(shí)，必須考慮氣球外形及氣動(dòng)特性的耦合變化和二者間的相互影響。

3、綜上，如何將高空氣球工作過程中的多學(xué)科分析進(jìn)行耦合，快速準(zhǔn)確獲得高空氣球在充氣過程中外形及彈道的變化，為高空氣球設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)平流層浮空器的后續(xù)研究與拓展十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，申請(qǐng)公開了一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的確定方法，采用多學(xué)科耦合分析的方法，基于熱力學(xué)分析、計(jì)算流體力學(xué)及飛行力學(xué)理論，分別建立熱力學(xué)變形、計(jì)算流體和飛行力學(xué)模塊，通過各模塊間熱力學(xué)、流體力學(xué)、飛行力學(xué)參數(shù)的傳遞，能夠快速計(jì)算高空氣球從開始充氣到充滿過程中的外形及高度的動(dòng)態(tài)變化，為高空氣球設(shè)計(jì)及分析提供參考。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括：

4、熱力學(xué)充氣分析模塊，將氣球的實(shí)時(shí)高度作為輸入，根據(jù)氣體狀態(tài)方程及能量守恒方程，輸出氣球的浮力、充氣體積及其外形變化；

5、計(jì)算流體力學(xué)模塊，將氣球外形及實(shí)時(shí)高度作為輸入，依次建立幾何模型、流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)值模型、流場(chǎng)數(shù)值模型，獲得氣球的氣動(dòng)力及氣動(dòng)特性變化；

6、飛行動(dòng)力學(xué)模塊，將氣球的氣動(dòng)力和浮力作為輸入，對(duì)氣球系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立氣球的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，獲得氣球速度和實(shí)時(shí)彈道高度的運(yùn)動(dòng)特性變化；

7、耦合各模塊進(jìn)行參數(shù)的傳遞和計(jì)算分析，得到高空氣球從開始充氣到充滿過程中的外形及高度的動(dòng)態(tài)變化。

8、本發(fā)明還公開了一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

9、步驟1，確定高空氣球充氣環(huán)境，根據(jù)氣球?qū)崟r(shí)高度及速度運(yùn)動(dòng)參數(shù)，基于熱力學(xué)充氣分析模塊功能，根據(jù)氣體狀態(tài)方程及能量守恒方程預(yù)測(cè)高空氣球在高空充氣及充滿后漂浮過程中的實(shí)時(shí)浮力、體積及外形變化；

10、步驟2，根據(jù)氣球體積及外形，基于計(jì)算流體力學(xué)模塊功能，建立氣球在流場(chǎng)中的幾何模型、網(wǎng)格模型及流場(chǎng)計(jì)算模型，計(jì)算得到氣球的氣動(dòng)特性變化；

11、步驟3，對(duì)氣球系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，基于飛行動(dòng)力學(xué)模塊功能，根據(jù)氣球所受氣動(dòng)力、浮力，建立氣球的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，獲得氣球的速度及高度變化；

12、步驟4，每個(gè)時(shí)間步分別執(zhí)行步驟1-3，獲得該時(shí)刻的所有信息后迭代進(jìn)入下一時(shí)間步，重復(fù)步驟1-3，進(jìn)而獲得氣球熱力學(xué)、氣動(dòng)特性及飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的瞬態(tài)變化。

13、有益效果

14、本發(fā)明采用多學(xué)科、模塊化設(shè)計(jì)的方法，將高空氣球的熱力學(xué)分析、計(jì)算流體力學(xué)分析及飛行動(dòng)力學(xué)分析耦合，反應(yīng)了外形變化引起氣動(dòng)力變化進(jìn)而改變彈道特性的工作本質(zhì)特點(diǎn)，能快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高空氣球外形及彈道變化。

技術(shù)特征：

1.一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，熱力學(xué)充氣分析模塊中，基于充入氣體的質(zhì)量mq，通過氣體狀態(tài)方程輸出氣球當(dāng)前的體積vq，表示為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，熱力學(xué)充氣分析模塊中，為確定充入氣體溫度tq的變化，將氣球系統(tǒng)分為氣球內(nèi)部氣體和氣球蒙皮兩部分，根據(jù)能量守恒方程分別建立熱力學(xué)平衡，聯(lián)立氣球內(nèi)部氣體與氣球蒙皮的熱平衡方程，得到充入氣體溫度tq。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱平衡方程表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，計(jì)算流體力學(xué)模塊中，將氣球的實(shí)時(shí)體積及外形數(shù)據(jù)輸入三維cad建模軟件，建立高空氣球及其減速裝置降落傘的幾何模型；將該幾何模型輸入icem中，建立流場(chǎng)網(wǎng)格離散模型，流場(chǎng)域采用四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)高空氣球附近流場(chǎng)進(jìn)行加密；基于所述流場(chǎng)網(wǎng)格離散模型建立流場(chǎng)計(jì)算模型，基于流場(chǎng)計(jì)算得到流場(chǎng)的速度及壓力分布，根據(jù)氣球表面的壓力分布變化，通過流場(chǎng)計(jì)算軟件自動(dòng)積分，獲得氣球的氣動(dòng)特性變化。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，流場(chǎng)控制方程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，環(huán)境流體的密度ρ根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程獲得，表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，飛行動(dòng)力學(xué)模塊中，對(duì)氣球系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)方程表示為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，氣球的附加質(zhì)量表示為：

10.一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于多學(xué)科融合的高空氣球外形及彈道的預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法，建立了熱力學(xué)充氣分析模塊、計(jì)算流體力學(xué)模塊及飛行動(dòng)力學(xué)理論分析模塊，通過多學(xué)科模塊耦合求解分析，快速獲得氣球在高空運(yùn)動(dòng)過程中的熱力學(xué)外形、氣動(dòng)特性及運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)變化，能真實(shí)的反應(yīng)高空氣球工作過程中飛行彈道高度及外形的耦合影響，準(zhǔn)確性好，效率更高。

技術(shù)研發(fā)人員：李巖軍,王思穎,李皓雯,廖航,余莉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19