复合姿态下飞艇表面太阳辐射计算方法研究

陆景松,张先锋（中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230031）

复合姿态下飞艇表面太阳辐射计算方法研究

陆景松,张先锋
（中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230031）

摘要：飞艇在空间热辐射环境下的超热特性，会引起系统净浮力昼夜周期性变化，对其工作能力构成较大的影响。本文通过引入飞艇航向角、俯仰角、横滚角以及太阳高度角和方位角等参数，对飞艇表面受辐射强度的分布特性进行研究分析，提出了复合姿态下表面太阳辐射热流分布的通用计算方法，为其他形态的热辐射计算、太阳能电池阵列布置及后续飞艇传热模型研究提供必要的基础。

关键词：飞艇;复合姿态;太阳辐射;计算方法

1引言

随着空间飞行器技术的发展和信息化综合应用概念的不断演化，飞艇以定点长时滞空的特点，在通信、测量、应急救灾等领域作为空中平台的商业应用前景和战略价值不断受到关注[1,2]。

对于飞艇而言，以太阳辐射为主的空间热辐射环境[3]会引起其超热呈现昼夜周期性变化特征，导致飞艇昼夜温差过大，平衡重量周期波动，不利于飞艇的长期稳定驻空。因此，温度控制成为飞艇研制过程的重要关键技术之一。

从循序渐进的角度考虑，飞艇热特性分析是开展热设计工作的重要理论支撑，需重点研究。目前，飞艇热特性研究工作主要集中在热力学建模方面，且尚无建立可靠的工程计算模型。其中，飞艇热边界主要采用壁面等热流密度的简化处理方法，没有体现飞艇表面曲率以及飞艇姿态的影响，导致热仿真出现不同程度的误差。本文以传热模型中的太阳辐射特性为切入点，引入飞艇运动姿态和太阳辐射影响参数，对飞艇表面受热辐射强度的分布特性进行研究分析，提出了复合姿态下飞艇表面受太阳辐射热流的通用计算方法。

2飞艇模型

飞艇选取椭球体作为研究对象，椭球体半轴分别为65m，25m，25m。

定义地表笛卡尔坐标系：x轴指向正北，y轴指向正西，z轴指向正天。以飞艇各特征轴线为坐标轴，定义飞艇体坐标系，沿航向特征轴为x’轴，沿水平特征短轴为y’轴，沿向上垂直特征轴为z’轴。̓̓定义角度：航向角，俯仰角，横滚角，太阳高度角，太阳方位角A，各角度变化区域分别为一般情形下，飞艇、地表坐标系、太阳辐射对应关系见图1。

图1飞艇、地表坐标系、太阳辐射对应关系

2.1坐标变换

艇体空间曲面方程可表示成函数形式：

同理，按公式2将体坐标系下的法线分量向笛卡尔坐标系进行变换：

2.2计算网格构建

采用面向对象程序设计C++语言进行编程，通过无限插值数值算法[4]，表面法线求解以及上述坐标变换算法，构建复合姿态下的飞艇表面计算网格，如图2。

2.3辐射热流计算

通过网格划分，飞艇表面任一微元可视为平面，其法线与入射的太阳辐射均存在一定夹角，如图3。

图2某姿态下，艇体表面网格及部分法线

沿地表笛卡尔坐标系，将太阳辐射分解，借用矢量的概念表示为̓̓

对于飞艇表面任意点，在向阳面上接受的太阳辐射为辐射在曲面法向上的分量，而在背阴面上辐射量为零，具有明确的物理意义，可表示为：̓̓

图3微元表面法线与辐射向量

对于向量夹角判断，可采用以下两种方法计算。

2.2.1̓向量点乘算法̓̓

此种算法，物理意义明确，但求解计算量相对较大。

2.2.2̓向量叉乘算法

因此，飞艇表面任意点接受的太阳辐射（公式7）可统一简化为：

3飞艇表面辐射量计算

以合肥地区2014年5月15日13:00为例，太阳辐射常数取[5]，计算出太阳高度角，方位角[6]。

图4飞艇表面（含太阳能电池阵列）受辐射量分布

需要注意的是，太阳辐射强度及相关角度参数是关于地理纬度、季节、时间等参数的函数，对具体状态的辐射热流分布分析需具体考虑这些因素的影响。

4结束语

此计算方法对大气辐射、地球反射、云层反射、地球红外辐射等其他辐射形态在各时段对飞艇表面辐射量的分布特性研究提供了参考依据；并为后续平流层飞艇太阳能电池阵列布置、飞艇传热模型研究以及囊体热应力分析提供研究基础。

参考文献：

[1]MasahikoOnda,AStratosphericStationaryLTAPlatformConceptandGround-to-VehicleMicrowavePowerTransmissionTests.AIAA-99-1059.

[2]胡文琳等.平流层飞艇预警探测技术进展及应用展望[J].现代雷达,2011(01).

[3]吕达仁等.临近空间大气环境研究现状[J].力学进展,2009(06).

[4]陶文铨，数值传热学[M]，西安交通大学出版社,2001.

[5]GJB1029-90[J],卫星热设计准则,1991.

[6]王炳忠，太阳辐射计算讲座第一讲太阳能中天文参数的计算[J].太阳能,1999.

作者简介：陆景松（1984-），男，江苏扬州人，硕士，工程师，主要研究方向：热设计与热分析。