一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法
【專利摘要】一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法，它有五大步驟：步驟一、提出預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法的假設條件；步驟二、根據平流層氣球的使用環境和工程熱力學的基本知識，確定平流層氣球的能量交換機理和各能量交換項；步驟三、針對步驟二提出的各能量交換項分別建立其熱分析模型，獲得具體各能量交換項具體的參數化表達形式；步驟四、根據能量平衡原理，分別建立平流層氣球在白天和夜晚的能量平衡方程；步驟五、將步驟三得到的各能量交換項代入步驟四的能量平衡方程，再利用數值求解方法中的簡單迭代法即求得平流層氣球在白天和夜晚的溫度。本發明僅需要囊布材料參數、懸浮高度和時間，就能得到平流層氣球的白天和夜晚溫度。
【專利說明】一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法
【技術領域】
[0001]本發明提供一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法，屬于航空【技術領域】。
【背景技術】
[0002]平流層氣球是一種低成本、高效率的航空器，能夠長期執行偵察任務、進行貨物投放等，具有非常廣闊的應用潛力和前景，因此，相關技術成為今年來研究的熱點。平流層氣球在懸浮時的溫度對于設計人員是非常關鍵的輸入參數之一，尤其對其囊布材料的選取至關重要，因此，如何獲取有效的溫度一直以來都是工程人員需要解決的課題。通過平流層氣球飛行試驗可以直接測定其溫度，但是試驗成本比較高，并且費時費力周期長，也很難把所有的情況都通過試驗來進行測定；有限元數值模擬方法需要建立復雜的有限元模型，計算復雜，計算效率低；現有的一些解析方法，模型考慮的因素不夠全面，而且理論求解也比較復雜。因此，本發明提出了一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的解析方法，該方法非常簡單實用，僅僅需要少量平流層氣球的囊布材料參數、懸浮高度和時間，就可以很容易得到平流層氣球的白天和夜晚溫度，可見本發明具有重要學術意義和工程應用價值。
【發明內容】
[0003]本發明提供了一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法，該方法具有計算簡便，精度高等優點，其技術方案如下:
[0004]本發明一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法，該方法具體步驟如下:
[0005]步驟一、提出預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法的假設條件。
[0006]假設條件包括:
[0007](I)當平流層氣球受載時，實際的形狀類似水滴形，為了簡化模型，將平流層氣球簡化為半徑為R的圓形。平流層氣球的特征尺寸L可以用直徑來表示；
[0008](2)由于平流層氣球的囊布非常薄，在微米量級，因此，假設囊布厚度方向的溫度相同，不考慮囊布內層與外層之間的熱傳遞；
[0009](3)不考慮平流層氣球內部氦氣的損失，假設平流層氣球的重量是恒定的；
[0010](4)由于地球半徑Re為6371.23km，而太陽距地球的距離為1.5X 108km，因此，假設太陽光到達地球上空時是平行光；
[0011](5)假設地球為熱平衡體；
[0012](6)不考慮太陽輻射強度隨太陽輻射角和大氣消光系數的變化；
[0013](7)不考慮二氧化碳和臭氧紅外輻射的影響。
[0014]步驟二、根據平流層氣球的使用環境和工程熱力學的基本知識，確定平流層氣球的能量交換機理和各能量交換項。
[0015]平流層氣球主要通過輻射和對流來進行能量交換，包括:平流層氣球上半球吸收的太陽直接輻射項Q1 (t)、平流層氣球吸收的太陽散射輻射項Q2 (t)、平流層氣球下半球吸收的地球反射輻射項Q3(t)、平流層氣球下半球吸收的地球紅外輻射項Q4(t)、平流層氣球對外的紅外輻射項Q5(t)、平流層氣球吸收的內部反射紅外輻射項Q6(t)、平流層氣球與外部大氣之間的對流換熱項Q7(t)和平流層氣球與內部氣體之間的對流換熱項Q8(t)。
[0016]步驟三、針對步驟二提出的各能量交換項分別建立其熱分析模型，獲得具體各能量交換項具體的參數化表達形式。
[0017]平流層氣球的微元的面積可表示為
[0018]
【權利要求】
1.一種預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一、提出預測平流層氣球的白天和夜晚溫度的新方法的假設條件； 假設條件包括: (1)當平流層氣球受載時，實際的形狀類似水滴形，為了簡化模型，將平流層氣球簡化為半徑為R的圓形，平流層氣球的特征尺寸L用直徑來表示； (2)由于平流層氣球的囊布非常薄，在微米量級，因此，設囊布厚度方向的溫度相同，不考慮囊布內層與外層之間的熱傳遞； (3)不考慮平流層氣球內部氦氣的損失，設平流層氣球的重量是恒定的； (4)由于地球半徑Re為6371.23km，而太陽距地球的距離為1.5X 108km，因此，設太陽光到達地球上空時是平行光； (5)設地球為熱平衡體； (6)不考慮太陽輻射強度隨太陽輻射角和大氣消光系數的變化； (7)不考慮二氧化碳和臭氧紅外輻射的影響； 步驟二、根據平流層氣球的使用環境和工程熱力學的基本知識，確定平流層氣球的能量交換機理和各能量交換項； 平流層氣球通過輻射和對流來進行能量交換，包括:平流層氣球上半球吸收的太陽直接輻射項Q1 (t)、平流層氣球吸收的太陽散射輻射項Q2(t)、平流層氣球下半球吸收的地球反射輻射項Q3(t)、平流層氣球下半球吸收的地球紅外輻射項Q4(t)、平流層氣球對外的紅外輻射項Q5(t)、平流層氣球吸收的內部反射紅外輻射項Q6(t)、平流層氣球與外部大氣之間的對流換熱項Q7(t)和平流層氣球與內部氣體之間的對流換熱項Q8(t)； 步驟三、針對步驟二提出的各能量交換項分別建立其熱分析模型，獲得具體各能量交換項具體的參數化表達形式； 平流層氣球的微元的面積表示為(LA = Κ2?ηθ?θ?φ(I) 式中，dA為平流層氣球上的微元面積，Θ為球坐標系的緯度或太陽輻射角或太陽光與微元法向之間的夾角，P為球坐標系的經度； 平流層氣球上半球上的微元所吸收的太陽直接輻射為 (IQ1 (t) = a j τ 10Cos Θ dA (2) 式中，a i為平流層氣球的囊布對太陽直接輻射的吸收率，τ為大氣透明系數，Itl為太陽常數； 平流層氣球上的微元所吸收的太陽散射輻射為 dQ2 (t) = a J1ClA (3) 式中，I1S太陽散射輻射強度； 平流層氣球下半球上的微元所吸收的地球反射輻射為
f R λ2 clQA1) = α\Ρ,τ/η ? v..CQS0cosφ--4(4)
\Re +Η J 式中，Pg為地面反射率平均值，Re為地球半徑，H平流層氣球的懸浮高度，Φ為太陽光方向與地球中心和平流層氣球中心連線方向之間的夾角； 平流層氣球下半球上的微元所吸收的地球紅外輻射為
【文檔編號】G01J5/58GK103471723SQ201310406617
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】熊峻江, 白江波, 陳勇, 滿孜郁 申請人:北京航空航天大學