平流層飛艇新型壓力調節系統試驗研究

王根輝 張常東

摘 要 本文針對基于超壓氦氣囊和充氣骨架構型的平流層飛艇新型壓力調節系統（簡稱新型壓力調節系統）地面樣機，開展24小時原理試驗，驗證新型壓力調節系統原理的可行性。通過試驗表明，新型壓力調節系統原理是可行的，通過試驗研究為新型壓力調節系統應用于平流層飛艇積累了一定的技術基礎。

關鍵詞 平流層飛艇;新型壓力調節系統;超壓氦氣囊;充氣骨架

引言

平流層飛艇是利用20千米高度附近風速較小而且相對穩定等有利條件，攜帶任務載荷，依靠浮力升空，在特定區域實現穩定長時間駐留、可控飛行的浮空飛行器。具有可定點飛行、留空時間長、探測范圍廣、載荷能力強和費效比高等優點[1]。

平流層飛艇傳統壓力調節系統在駐空和回收過程中面臨的壓力調節難、駐空高度不穩、夜晚能源緊缺、難以成形回收等困難，因此提出了基于超壓氦氣囊和充氣骨架構型的平流層飛艇新型壓力調節系統（下文簡稱新型壓力調節系統）。本文基于新型壓力調節系統工作原理研制了一套地面模擬試驗樣機，開展新型壓力調節系統地面24小時原理試驗研究，以驗證新型壓力調節系統原理的可行性。

1樣機設計

新型壓力調節系統地面樣機由氣囊、超壓氣囊、充氣骨架、副氣囊、小氣囊、太陽能電池板、氦氣壓縮機、風機、電磁閥、壓力傳感器、太陽能輻射傳感器、溫度測量系統、電流/電壓傳感器和測控系統等組成。

氣囊、超壓氣囊、充氣骨架、副氣囊和小氣囊均選用URETEK-3216LV型囊體材料。氣囊直徑為2000mm，長度為6500mm;充氣骨架直徑為160mm，通過尼龍搭扣固定在氣囊內;超壓氣囊和副氣囊布置在氣囊內，直徑均為1500mm，長度為1300mm。小氣囊布置在氣囊外，通過軟管與氣囊連接，保證小氣囊與氣囊連通。

地面樣機選用一塊PVL-31型柔性薄膜太陽能電池，布置在氣囊頂部;選用兩臺W2025型微型壓縮機，分別用于給充氣骨架和超越氣囊充氣，兩臺壓縮機安裝在小氣囊內，壓縮機充氣管路上接頭自帶單向閥，防止氣體回流;地面樣機選用兩臺電磁閥，一臺用于超壓氣囊放氣，布置在小氣囊內，一臺控制副氣囊的充放氣，布置在副氣囊充放氣管路上。

在氣囊外設置一臺風機給副氣囊充氣，風機通過充氣管路與副氣囊聯通。在氣囊、超壓氣囊、充氣骨架和副氣囊內分別設置壓力傳感器用于測量壓力。在氣囊內部及外部周圍布置10個溫度傳感器，用于測量氣囊內外的溫度變化，在氣囊頂部布置有太陽能電池板，用于將太陽能轉化為電能，在氣囊外設置一個太陽能輻射傳感器，用于測量太陽能輻射的強弱變化。

測控系統由PXI平臺、傳感器測量電路、電動執行機構等組成硬件系統，采用圖形化編程語言LABVIEW進行軟件系統開發。實現試驗的自動控制和試驗數據的實時記錄，并可切換為手動控制試驗。

2試驗方案

試驗制定了兩種試驗方案，即超壓氣囊調節氣囊壓力和副氣囊調節氣囊壓力試驗。

試驗原理：當白天溫度升高時，氣囊壓力上升，為維持氣囊內壓力在規定范圍內，需要通過壓縮機將氣囊內的氦氣壓縮至超壓氣囊內，或打開控制副氣囊放氣的電磁閥對副氣囊放氣，直至氣囊壓力達到規定值。當晚上溫度下降時，氣囊壓力降低，為維持氣囊內壓力在規定范圍內，打開控制超壓氣囊放氣的電磁閥，將超壓氦氣內的壓縮氣體釋放至氣囊內，或打開控制副氣囊充氣的風機和電磁閥，給副氣囊充氣，直至氣囊壓力達到規定值。

3試驗結果及分析

3.1 超壓氣囊調節氣囊壓力試驗結果

2017年2月24日22時開展超壓氣囊調節氣囊壓力試驗，試驗初始壓力分別是：充氣骨架壓力為32547 Pa，超壓氦氣囊壓力為13671 Pa，氦氣囊壓力為650 Pa，環境溫度1℃。

試驗終止時間為2月25日22時，終止時壓力分別是：充氣骨架壓力為4258 Pa，超壓氦氣囊壓力為470 Pa，氦氣囊壓力為251 Pa，環境溫度為14℃。

3.2 副氣囊調節氣囊壓力試驗結果

2017年6月19日23時開展副氣囊調節氣囊壓力試驗，試驗初始壓力分別是：充氣骨架壓力為32893 Pa，氦氣囊壓力為580 Pa，副氣囊壓力583Pa，試驗環境溫度為13.9℃。

第二天下午14時48分氣囊無法保持飽和的外形，維護口蓋處出現低頭，此時充氣骨架壓力為352 Pa，氣囊壓力為260 Pa，副氣囊壓力為261 Pa。到晚上19時10分左右，氣囊底部已經塌下，無法保持外形。

3.3 試驗結果分析

（1）由試驗結果可知，超壓氣囊調節氣囊壓力實現了24 h氣囊壓力的自動調節與控制，副氣囊調節氣囊壓力試驗實現了約15h氣囊壓力的自動調節與控制;

（2）由于氣囊材料特性限制，軟式氣囊結構氣密性存在一定的局限性，地面樣機試驗中，超壓氣囊和充氣骨架內的壓力均充至最大值;

（3）通過地面樣機試驗表明，地面樣機24小時原理試驗的最佳開始試驗時間為一天中氣溫最低的時刻;

（4）由試驗結果可知，一天中溫度升高的時間在早上8點到中午12點之間，即溫度升高的時間只有4小時，通過超壓氣囊給氣囊放氣或通過風機給副氣囊充氣次數大于向超壓氣囊充氣或副氣囊放氣次數;

（5）由試驗測得的太陽輻射強度，對地面樣機熱力學動態特性研究進行了試驗驗證，為熱力學動態特性研究提供了數據支撐。

4結束語

通過開展新型壓力調節系統地面樣機24小時原理試驗研究，得到了不同方案下24小時地面試驗氣囊內外溫度的變化及壓力循環特性，證明了通過超壓氣囊調節氣囊壓力的方式是可行的，同時通過試驗也為平流層飛艇選擇合適的升空時間提供了參考，為后續開展氦氣壓縮機選型和能源與動力選型計算與分析提供了有效數據。

參考文獻

[1] 趙達，劉東旭，孫康文，等.平流層飛艇研制現狀、技術難點及發展趨勢[J].航空學報，2016，37（1）：50-61.