臨近空間浮空器聚乙烯薄膜超壓氣球球體設(shè)計(jì)

臨近空間浮空器聚乙烯薄膜超壓氣球球體設(shè)計(jì)

Summary：臨近空間浮空器是當(dāng)前人類探索近空間的重要手段。球體作為臨近空間浮空器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行可靠性具有直接影響。因此，近年來技術(shù)人員對(duì)臨近空浮空器球體部分的研究力度不斷加強(qiáng)，從傳統(tǒng)的正球構(gòu)型逐漸發(fā)展成歐拉曲線構(gòu)型，同時(shí)聚乙烯材料等高新材料也逐漸應(yīng)用于球體設(shè)計(jì)之中?；诖耍疚膶⑨槍?duì)基于聚乙烯材料的臨近空間浮空器超壓氣球球體設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行研究，希望對(duì)相關(guān)工作人員提供參考意見。Keys：臨近空間浮空器；歐拉曲線構(gòu)型球體；聚乙烯材料引言：超壓氣球是當(dāng)前人類探索臨近空間的重要工具。超壓氣球在實(shí)際飛行過程中主要依托于臨近空間風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，是當(dāng)前少數(shù)幾種可以在平流層穩(wěn)定工作的飛行器之一，在氣象、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，因此我國對(duì)該設(shè)備的研究重視程度不斷提升。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，歐拉曲線構(gòu)型（南瓜型）球體逐漸取代正球構(gòu)型成為超壓氣球的主流設(shè)計(jì)，由此球體的耐壓能力也打破球體體積的制約，為聚乙烯材料的應(yīng)用提供有利條件。近年來，NASA等機(jī)構(gòu)充分認(rèn)識(shí)到聚乙烯超壓氣球在自重、體積以及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)過大量研究后取得重大成果。而我國在相關(guān)問題的研究上尚處于起步階段，因此，加強(qiáng)基于聚乙烯材料的歐拉曲線構(gòu)型超壓氣球研究已經(jīng)成為當(dāng)前科研部門的重點(diǎn)研究課題。臨近空間浮空器球體設(shè)計(jì)種類1.1正球構(gòu)型設(shè)計(jì)正球構(gòu)型設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)超壓氣球設(shè)計(jì)的主流方式，該構(gòu)型在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)主要包括球體半徑、球體表面應(yīng)力以及球體耐壓值三個(gè)方面[1]。科研人員在實(shí)際研究中提出以上三個(gè)部分的計(jì)算方法。在對(duì)球體半徑進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將正球構(gòu)型球體體積設(shè)為V，根據(jù)球體體積計(jì)算公式可推導(dǎo)出半徑R的計(jì)算公式如公式（1）所示。(1)針對(duì)球體表面應(yīng)力的計(jì)算需要根據(jù)薄殼無矩理論中提出的只承受內(nèi)壓的正球構(gòu)型表面應(yīng)力處處相等。由此可得出球體表面應(yīng)力的計(jì)算公式如公式（2）所示。(2)其中、、分別表示球體的表面應(yīng)力、球體內(nèi)壓以及球體半徑。針對(duì)球體耐壓值的計(jì)算需要計(jì)算球體材料強(qiáng)度以及安全系數(shù)，在結(jié)合相關(guān)技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上可得出球體耐壓值計(jì)算公式（3）。(3)其中，、、分別表示球體耐壓值、球體強(qiáng)度以及安全系數(shù)。1.2歐拉曲線構(gòu)型設(shè)計(jì)歐拉曲線構(gòu)型是21世紀(jì)初由科研人員在正球構(gòu)型的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，該構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)在于球體內(nèi)部設(shè)置有承力加強(qiáng)筋，同時(shí)3D囊瓣設(shè)計(jì)可以大幅降低薄膜應(yīng)力，使得球體在高空中的耐壓值只受囊瓣半徑影響，經(jīng)濟(jì)性較高但強(qiáng)度較弱的聚乙烯材料可以有效應(yīng)用于此構(gòu)型球體之中[2]。歐拉曲線構(gòu)型球體的設(shè)計(jì)參數(shù)主要涵蓋球體母線特征半徑、囊瓣數(shù)N以及囊瓣半徑r根據(jù)球體體積V，忽略球體表面囊瓣半徑引起的鼓包估算特征半徑。由于球體母線為歐拉曲線，可通過積分得到初步的特征半徑。2.歐拉曲線構(gòu)型球體設(shè)計(jì)方案與對(duì)比試驗(yàn)歐拉曲線構(gòu)型設(shè)計(jì)中需要首先根據(jù)浮空器載重能力以及在高空環(huán)境下運(yùn)行所承受的超壓數(shù)值對(duì)球體的體積以及耐壓能力進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上得出設(shè)計(jì)方案中球體母線特征半徑、囊瓣數(shù)量、半徑以及球體精確體積與詳細(xì)參數(shù)之間額耦合，并不斷進(jìn)行更新迭代，直至獲得最具科學(xué)性的設(shè)計(jì)方案。歐拉曲線構(gòu)型球體在世紀(jì)設(shè)計(jì)過程中需要采用等半徑方式對(duì)布置有承力加強(qiáng)筋的球體進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際充氣后，加強(qiáng)筋與薄膜之間會(huì)同步進(jìn)行變形，球體薄膜會(huì)將經(jīng)線方向內(nèi)力均勻地傳輸至加強(qiáng)筋部分，而囊瓣部分在經(jīng)線方向上的應(yīng)力可以下降至無限接近0[3]。而緯線方向應(yīng)力則直接受球體內(nèi)壓以及囊瓣局部曲線率半徑影響，需要注意到的一點(diǎn)是球體緯線方向內(nèi)力完全滿足關(guān)系。因此，球體囊瓣半徑可以根據(jù)薄膜強(qiáng)度以及耐壓能力進(jìn)行計(jì)算，由此，可得出如公式（4）所示關(guān)系。(4)在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為避免球體中各囊瓣在充氣后出現(xiàn)相互阻礙干涉的情況，因此，要求設(shè)計(jì)者在實(shí)際工作中應(yīng)確保囊瓣半徑應(yīng)在囊瓣半弦長(zhǎng)度以上，即如公式（5）所示。(5)在根據(jù)以上公式確定球體母線特征半徑以及囊瓣半徑后，設(shè)計(jì)人員在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以降低球體失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生率為目標(biāo)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線明確球體囊瓣數(shù)，此過程中可以利用數(shù)化模型進(jìn)行反復(fù)迭代，直至最終得到滿足要求的球體。歐拉曲線構(gòu)型設(shè)計(jì)中，3D囊瓣設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要作用，該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)要求確保球體外形以及薄膜在超壓環(huán)境運(yùn)行過程中將應(yīng)力傳遞至承力加強(qiáng)筋部分[4]。3D囊瓣被設(shè)計(jì)為空間不可展曲面，將其近似展開后，囊瓣邊線會(huì)出現(xiàn)延長(zhǎng)現(xiàn)象，在應(yīng)用聚乙烯材料設(shè)計(jì)的超壓氣球中，對(duì)3D囊瓣的設(shè)計(jì)應(yīng)采用含邊緣褶皺方式進(jìn)行，具體使用方法如下：在設(shè)計(jì)中依照相對(duì)位置對(duì)3D囊瓣中線以及邊線進(jìn)行為元花處理，依照長(zhǎng)度將3D囊瓣中線發(fā)展成直線，隨后依據(jù)囊瓣中線空間相對(duì)位置將邊線設(shè)置為二維曲線，進(jìn)而得到3D囊瓣對(duì)應(yīng)平面。在此設(shè)計(jì)方案中，3D囊瓣中線長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變化，且相較于承力加強(qiáng)筋，邊線長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此可在焊接縫處設(shè)置加強(qiáng)筋套，承力加強(qiáng)筋在套內(nèi)可以自由滑動(dòng)，球體膨脹過程中可以自然產(chǎn)生褶皺。為對(duì)比歐拉曲線構(gòu)型球體與正球構(gòu)型球體耐壓能力與極限，本文在研究中設(shè)置不同類型的球體各兩個(gè)。試驗(yàn)用球體采用聚乙烯材料制作，材料厚度、屈服強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度分別為40、(4.0±0.2)N/cm以及9.4N/cm~16N/cm。其中正球構(gòu)型球體半徑為2m，劃分為為18瓣，根據(jù)公式（2）計(jì)算可得出其囊瓣理論屈服壓差以及球體理論破裂壓差分別為380Pa~420Pa以及940Pa~1600Pa。而歐拉曲線構(gòu)型球體特征半徑設(shè)計(jì)為2m，囊瓣半徑設(shè)計(jì)為0.38m，劃分為18瓣，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算可得出囊瓣理論屈服壓差以及球體理論破裂壓差分別為1000Pa~1105Pa以及2474Pa~4211Pa。通過分析此數(shù)據(jù)可知，歐拉曲線構(gòu)型球體耐壓能力與耐壓極限可以達(dá)到正球構(gòu)型的3~5倍?？偨Y(jié)：綜上所述，歐拉曲線構(gòu)型是當(dāng)前臨近空間浮空器設(shè)計(jì)的主流構(gòu)型，可以有效利用聚乙烯材料經(jīng)濟(jì)性特征，且利用聚乙烯材料制作而成的超壓氣球在應(yīng)用性能方面也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)正球構(gòu)型，由此可以見，基于聚乙烯材料的歐拉曲線構(gòu)型球體具備可行性。參看文獻(xiàn)：[1]祝榕辰,王生,姜魯華,等.超壓氣球球體設(shè)計(jì)方法初步研究[C]//2011年中國浮空器大會(huì)論文集.2011.[2]寧榮,王文劍.基于聚乙烯薄膜材料的超壓氣球球體設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2019,124(04):42-44.[3]趙榮,張航悅,張向強(qiáng).臨近空間超壓氣球結(jié)構(gòu)多樣性設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿