王昆仑

摘要 对大型飞艇抗侧风出库过程进行数值模拟，得出了在侧风条件下地面效应使飞艇产生升力的结论，并通过对俯仰和偏航力矩的计算，对飞艇的出库安全性进行了分析 。

关键词 数值模拟;地面效应;出库安全性

前言

大型飞艇在出库过程中，一般采用牵引车牵引出库的方式，当受侧风影响时可能会产生绕牵引点的俯仰和偏航力矩，引起飞艇的姿态变化，导致飞艇擦碰艇库的危险情况，因此，分析大型飞艇的出库安全性是非常有必要的。

1 几何模型

搭建艇库模型，如图1所示，艇库为圆顶结构，长70米，宽24米，高22米，库壁厚度设为0.1米。飞艇长度50米，包括囊体、吊舱和尾翼，飞艇距离地面高度1.2米。飞艇净重为280kg。

2 数值计算

采用六面体非结构笛卡尔网格生成计算域流场，流动敏感区域进行局部加密，网格数量在1500万左右， Y+值在1附近。计算湍流模型采用k-ω sst，算法采用SIMPLEC算法，压力、动量和湍流黏度项选用二阶迎风格式。

为提高计算效率，简化掉牵引车和起落架。来流风速5m/s，侧滑角90°，攻角为0。初始位置为飞艇浮心与艇库大门平齐，此时出库距离为18.8米，然后以1/4艇长即12.5米为间隔，依次增加飞艇出库距离直至93.8米。

飞艇的力矩参考点为飞艇头部前缘点，即牵引车的牵引点。

3  计算结果分析

3.1 地面效应

囊体是旋成体，在空中状态90°侧风下，其流动状态类似圆柱绕流，升力为在0附近波动的一小量值，这里取0方便对比;在地面效应作用下（见图2），飞艇上表面气流加速高于下表面，下表面壓力大;再者，吊舱对侧风的阻滞使得飞艇下表面后体部分流速低，负压区域比上表面小。体现在数据上，见表1，囊体在地效作用下产生了很大的升力;加装吊舱以后，地面效应显著增强，升力大幅度增加;，加装尾翼后，升力进一步增加。

3.2 飞艇出库过程中的安全性分析

绕过艇库的气流在艇库门前区域有明显的加速效果，即此区域为强风区，风速增加幅度在30%—50%左右，飞艇出库距离在68.8米开始离开强风区，到81.3时已基本不再受强风区影响。

由图3气动特性曲线可以看出，出库距离对气动特性有显著影响。随着出库距离增加，升力逐渐增大，出库距离在56米以后，即升力达到最大值，然后逐渐减小并趋于一个稳定值。俯仰力矩的变化规律与升力一致。从量值上考虑，在持续5米侧风的作用下，飞艇未完全出库前的俯仰力矩（艇身绕头部牵引点的上仰力矩）最大可达到80000N·m量级，考虑到飞艇净重约280公斤，则需在尾部配平60公斤左右的铅锤力保证艇体水平姿态。侧力大小主要受迎风面大小影响，随着出库距离增加，侧力逐渐增大;同时，随着出库距的变化，艇身与艇库的耦合影响使得库口强风区的速度有变化，在出库距离56米左右，强风区速度最大，侧力达到最大值，然后逐渐减小并趋于一个稳定值。偏航力矩的变化规律与侧力一致，从量值上考虑，在持续5米风作用下，飞艇未完全出库前的偏航力矩最大可达到130000N·m量级，需在尾部配平260公斤左右的水平拉力以保证艇体的姿态。

由计算结果可以看出，有侧风情况下，飞艇在完全出库前，即在飞艇尾部靠近艇库前强风区时，气动力逐渐接近最大值，此时飞艇的姿态变化会加剧，需要给予俯仰和偏航方向的配平力来保证姿态，避免与艇库发生碰撞，保证出库安全性。

4 结语

通过计算分析，表明飞艇在有侧风的出库过程中会产生绕牵引点的俯仰和偏航力矩，力矩随出库距离逐渐增大，需要在艇体尾部和两侧给予配平力来保证姿态，本文对保证飞艇出库安全性提供了一种思路。

参考文献

1 郭凯.大型艇库对平流层飞艇出库过程气动力的影响[J].计算机仿真，2016，33（10）：48-53.

2 张泰华.临近空间飞艇艇库外约束及稳定性分析[J].中国空间科学技术，2016，36（5）：72-80.