张永刚

(广州民航职业技术学院 广东广州 510403)

根据工作原理的不同，浮空器可分为飞艇和气球两大类，系留气球是目前应用较为广泛的浮空器细分类型，是一种利用轻于空气的气体，如氢气或氦气，进而依靠大气浮力升空的航空器。改进型的系留气球在结构上除了球形囊体之外，还增加了升力翼与立面，具体见图1。此类型浮空器具有成本低、覆盖面积大、驻空时间长、能耗小、载荷能力大、噪声低等突出优势，在应急救援、通信中继、空中监测和地理测绘等多个领域得到广泛应用。相比于目前比较流行的无人机这类航空器，系留气球则具有驻空时间长、载荷能力大的突出优势，系留气球在某些应用场景下，完全可以取代无人机，发展前景广阔。

图1 典型浮空器（系留气球）结构示意图

从国际范围来看，美国、俄罗斯以及以色列等国家的系留气球研究、生产、应用和保障能力都代表了世界先进水平[1]。美国的“美洲狮”系列系留气球升空高度达5 km，用以完成空中监测任务，驻空时间超20 d，有效载荷达数百公斤。目前，国内已有多个高校、研究所及企业相继加快了浮空器相关的研究工作，浮空器产业已初具规模[2]。近年来，国内已有多个研究所和高校成功研制出具有自主知识产权的升空高度达数千米的系留气球平台。

1 气动仿真的意义

广义层面的数值模拟分析方法最早可以追溯到结构化矩阵分析的发展时期，逐步演化到板、壳和实体等连续体固体力学分析，长期实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。随着计算机的能力的不断提高，近年来数值模拟方法逐渐已发展到流体力学、温度场、磁场和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解多个交叉学科的复杂问题。

此次气动仿真运用了流固耦合的方法，流固耦合是把流体力学与固体力学这两门学科结合起来进行耦合计算，它是研究变形固体在流场下的各种相互作用以及固体位形对流场的影响这二者相互作用的一门交叉学科。流固耦合方法的一个重要特征是研究对象中的两相介质之间的复杂相互作用，变形固体在流体作用下会产生进一步的变形或运动。另外，变形或运动又反过来又会影响流体运动，从而改变流体载荷的具体分布和大小变化。

系留气球在空中的迎风运动就是一个典型的流固耦合问题，如此复杂的流固耦合问题需要用固体力学和流体动力学的数值分析结果交叉迭代求解，这也是解决此类问题的一大难点。

文字的研究对象是改进型系留气球，它是一种较为崭新的浮空器类型，可同时利用风力和所充氦气提供的升力，具有良好空气动力特性。利用气动仿真分析方法可以达到以下具体目的：模拟浮空器的空中姿态，减少试验时间和经费；在浮空器研究过程中预先发现潜在的问题；缩短研究和分析的周期；模拟各种试验场景，减少部分试验环节，加快进度；进一步找到浮空器结构的薄弱点和参考数据，为后续系统研究提供重要依据等。

2 气动仿真的任务

这种浮空器升力由两部分叠加而成，一部分是囊体的浮升力，另一部分是自然风作用于升力翼的升力。当无风时，升力翼无升力贡献；现实情况下大部分时间为有风状态，此时浮空器的升力即为囊体浮升力与升力翼升力的矢量和。另外，净升力还要减去平台空中部分的重量以及系缆空中部分的重量，即平台的承载能力，这是浮空器最关心的目标。此次仿真主要完成了以下任务：第一，通过对不同结构形状的浮空器（球形囊体、布帘囊体和系留气球结构）的气动仿真分析，对比其稳定性指标，验证系留气球的性能先进性；第二，通过仿真找到浮空器结构的薄弱点，为后续研究提供参数依据。

3 气动仿真过程

3.1 浮空器结构

改进型系留气球在气动外形上由椭球型囊体、升力翼、立面这3个部分组成，升力翼和立面均使用骨架撑直成型，在系缆的作用下气球整体呈椭球型风筝状。理论计算可以证明扁形的椭球囊体比球形的风阻系数小。升力翼为三角形状，可借助风力给气球贡献额外的升力和囊体产生的升力进行叠加。立面使得气球始终保持迎风方向，便于升力翼发挥功能，从而使气球整体具备良好的气动外形。

系留气球的结构形式多种多样，本文通过对常见的3种不同结构形状的系留气球，即球形囊体、布帘囊体和改进型系留气球，在保证重量一致，风速相同的前提下进行气动仿真分析，对比稳定性指标，验证其气动外形的先进性。此次选定系缆与地面夹角为稳定性衡量指标θ0（即系缆与地面夹角），θ0越大则说明升空高度越高，性能也越好。此次气动仿真选取的3 种浮空器体积规格均为16 m³，以保证有相同的囊体浮力，具体形状见图2。

图2 3种浮空器模型示意图

3.2 模型网格划分

浮空器结构建模后，可以选择自动生成网格并进行计算，如果分析的结果不符合要求，则重新进行构造和计算，直到满意为止，从而极大地提高了研究水平和效率。可以在集成的计算机辅助设计和数值模拟环境中，快速解决一个在以前无法应对的复杂研究分析问题。另外，可以利用自适应网格与重划分网格技术来处理由于大变形引起网格畸变而引起的求解困难。

这一步是将3种不同结构的浮空器物理模型分别导入并进行数据读取。划分网格前，尽量忽略掉对气动没有影响或影响较小的结构模型构件；忽略孔、倒角等特征；对结构中的部分复杂曲面结构将简化为简单平面建模。通过以上手段达到减少分析时的网格划分，进而减少计算时间的目的，网格示意图见图3。

图3 系留气球网格示意图

3.3 浮空器材料定义

浮空器主体蒙皮材料首选TPU 薄膜，当用于承载能力比载荷大且余量多的时候也可以考虑选用PVC薄膜厚度稍厚一些的使更不易损坏。TPU即热塑性聚氨酯，机械强度高、耐寒性好，其在较宽的温度范围内（具体-40～120 ℃）具有柔性而无须增塑剂。另外，在耐油性、耐天候性、耐磨性、抗撕裂性、屈挠强度等性能优良；该材料拉伸强度高，伸展率大，长期压缩永久变形率低。对比常见的几种材料后，最终选择TPU 薄膜为浮空器蒙皮的主要材料类型。

升力翼和立面选用尼龙，聚酰胺纤维具有良好的力学性能、耐热性、耐磨性、耐化学药品性、自润滑性。

骨架杆件采用碳纤维T700，碳纤维是目前普遍使用的新型碳材料，具有耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、高比强、高比模等优点，是一种较为理想的功能结构材料，是目前最优的材料类型。

各组成部分的材料属性如下：浮空器主体蒙皮为柔性体，材料为TPU 薄膜；升力翼和立面为柔性体，材料为尼龙；骨架杆件等为刚体，材料为碳纤管型材；骨架杆件接头结构件为刚体，材料为铝合金。具体参数定义见表1。

表1 浮空器主要材料参数表

3.4 仿真算法简介

此次仿真算法选择任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法，任意拉格朗日-欧拉方法中计算网格可以在空间中以任意的形式运动，可独立于物质坐标系和空间坐标系运动。这样通过规定合适的网格运动形式可以准确地描述物体的移动界面，并维持单元的合理形状。任意拉格朗日-欧拉算法可以通过计算网格的合理运动来适应流固耦合边界的变形，保持良好的网格质量，从而可以提高计算效率[3-5]。

任意拉格朗日-欧拉方法可以克服网格单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体、固体耦合的动态分析。任意拉格朗日-欧拉方法是两层网格重叠在一起，使空间网格又可以在空间任意运动，做到了两者兼顾。此方法需先执行一个或几个时步计算，此时单元网格随介质流动而产生并行现象，然后再执行拉格朗日-欧拉时步计算：（1）保持计算模型变形后的物体边界条件，对内部单元进行重分网格，网格的拓扑关系保持不变；（2）将原计算模型中的变形网格中的单元变量，包括密度、能量、应力张量等和节点速度矢量输送到重分后的新网格中，再进行下一阶段的处理。

浮空器仿真模型见图4，在模型右侧的入口施加风场，风场条件为：0～0.1 s 是静风，0.1～0.5 s 风速线性增加到2级风（约2.5 m/s），然后风速一直保持恒定。

图4 系留气球仿真计算域示意图

4 仿真结果分析

4.1 3种结构囊体性能对比

通过气动仿真，得到并对比了3 种不同结构形状浮空器，球形囊体、布帘囊体和系留气球结构的性能指标数据。按照之前选定的性能衡量指标，对系缆与地面夹角进行对比。在二级风工况下，3 种结构囊体的仿真结果见图5。

图5 系缆与地面夹角θ0仿真结果对比

对比3 种结构囊体的仿真结果可以发现，在同一风力工况下，系缆与地面夹角指标θ0的排序为：系留气球＞布帘囊体＞球形囊体。可以看出，系留气球的性能优势较为明显，也从仿真的角度上验证了其性能先进性。究其原因，系留气球特有的三角形升力翼可借助风力给囊体贡献额外升力，使性能指标优于其他两种结构囊体。

正因为系留气球的性能突出，近年来得到了快速发展，一些新型系留气球的升空高度可达数百米，甚至数千米，监测范围最大可达200 km 以上，驻空时间可达数周。系留气球相对其他升空平台具有更好的续航性和安全性，姿态也更稳定[6]。

4.2 获取关键参数

通过气动仿真还可以得到系留气球的张应力分布情况，进而指出危险应力区域，找到气球结构薄弱点和应力参考数据。由图6 可以看出，系留气球的危险应力区域有两个：（1）主杆和系缆的配合处；（2）立面和囊体的结合处。在设计上应该在这两处采取加强结构，避免在风力较大的情况下囊体被撕裂。

图6 表面张应力分布图

进一步通过气动仿真可以读取得到系缆拉力变化的数据，获得系缆拉力最大值，为系缆选型和优化做好依据。另外，还可以发现无横杆状态浮空器的布局变形有所加剧，保型效果较差。增加横杆后可以提高囊体的抗风强度，减缓浮空器的变形程度，进一步增强保型效果[7-8]。

5 结语

随着各类浮空器尤其是系留气球和飞艇应用的快速发展，越来越多的科研院所及企业进入了这个领域，竞争日趋激烈。各个研究单位应该积极采用先进仿真技术深入研究各类浮空器特性，使浮空器投入到更多商用场景。文章利用气动仿真技术，验证了系留气球相对于其他两种结构类型囊体在性能上的先进性。另外，还通过此次仿真找到浮空器结构的应力薄弱点，为后续系统研究提供重要依据。