平流层飞艇升空过程结冰特性建模与分析

Stratospheric airship is the ideal platform for the exploration of stratospheric space, and has a significant potential application in communication relay, resources detection, observation and surveillance. When a stratospheric airship confront clouds that content super-cooled droplet in ascending process, ice accretion shouldoccurring in the windward parts of the airship, and ice accretion may deteriorate the flying performance of the airship or even cause catastrophic accident. To solve this problem, a thermal and flow field coupling analysis model was proposed based on the heat transfer mechanism between the airship and its thermal environment. Droplet impingement and ice accretion analysis model suitable for stratospheric airship in ascending process were constructed, with the influence of the airship temperature on the runback water flow and heat transfer considered. To take account of the interactional relationship among ice accretion, outer airflow and droplet impingement, the dynamic mesh technology and multistep simulation method were employed to accomplish the dynamic and multistep simulation and analysis of ice accretion performance of stratospheric airship in ascending process. The results can provide theory guide and data support for stratospheric airship preventing and de-icing design, fly control law design and mission planning.

平流层飞艇是平流层空间资源开发和战略高地争夺的良好载体，在通信中继、资源探测、监视监控等领域具有广泛的应用前景。平流层飞艇升空过程中穿越携带过冷水滴的云层时，其迎风面上会出现结冰现象，结冰将恶化飞艇飞行特性，甚至引起严重的飞行事故。本项目以此为切入点，基于飞艇与热环境的换热机理，构建包含内外流场的飞艇温度与流场耦合特性分析模型；研究飞艇表面温度分布对水膜流动以及结冰控制体内传热的影响，构建适用于平流层飞艇升空过程的过冷水滴撞击以及结冰特性分析模型；根据冰形生长、外流场分布以及水滴撞击特性相互影响的特点，利用动网格技术和多步迭代的计算方法，实现平流层飞艇升空过程结冰特性动态仿真分析。归纳平流层飞艇升空过程结冰规律，研究结果可为平流层飞艇防冰除冰方案设计、飞行控制律设计以及任务规划提供理论指导和数据支持。

随着技术的进步，平流层飞艇将很快进入实用阶段，因此需要具备全天候升空作业的能力，在升空过程中遭遇过冷水滴或者降雨而结冰的可能性大大增加，结冰将恶化飞艇飞行特性，甚至引起严重的飞行事故。. 本课题借鉴飞机结冰研究思路和成果，从飞艇表面结冰的温度条件、结冰的物质条件（水的来源）、结冰的分布规律三个方面出发，研究飞艇升空过程中结冰特性的建模与分析方法。主要研究平流层飞艇温度与流场耦合特性，过冷水滴与飞艇表面撞击特性，飞艇表面结冰分布特性。解决了飞艇温度场与流场耦合特性计算、飞艇表面不同温度对结冰特性的影响、以及飞艇结冰对外流场影响三项关键技术。. 项目完成了平流层飞艇结冰机理理论分析与数值仿真，总结了飞艇升空过程中结冰条件，分析了飞艇结冰分布规律，研究了结冰对飞艇飞行特性的影响。. 结果表明，在3km高空，当太阳直接辐射强度小于34.05W/m2时，飞艇表面温度开始低于273.15K（冰点），这种条件下，飞艇在升空过程中穿越携带有过冷水滴和冰晶的浓密云层时，存在结冰的可能性。. 飞艇表面水收集系数分布与结冰厚度分布规律相同，主要分布在飞艇迎风面，结冰质量与时间呈线性关系。当攻角为+4°时，飞艇表面水收集系数最大为0.152，分布于飞艇鼻锥和尾翼前缘，420秒的结冰时长，飞艇表面最大结冰厚度为0.004m，结冰质量338.1kg。当攻角为-90°时，飞艇表面水收集系数最大为0.199，分布于飞艇顶端、尾翼前缘和尾翼顶端，420秒的结冰时长，飞艇表面最大结冰厚度为0.006m，结冰质量590.1kg。. 平流层飞艇表面结冰很薄且分布在局部，对飞艇整体轮廓影响较小，因此对飞艇气动特性影响较小。600秒的结冰时长，结冰后飞艇的升力系数增加1.81％，阻力系数增加4.38％，俯仰力矩系数增加1.39％，升阻比从2.02减小到1.97。. 项目的科学意义在于归纳了飞艇升空过程结冰分布规律，可为我国平流层飞艇防冰、除冰方案设计提供理论依据，为安全飞行和执行指定任务提供保障。