一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法
【专利摘要】一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法，它有五大步骤：步骤一、提出预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法的假设条件；步骤二、根据平流层气球的使用环境和工程热力学的基本知识，确定平流层气球的能量交换机理和各能量交换项；步骤三、针对步骤二提出的各能量交换项分别建立其热分析模型，获得具体各能量交换项具体的参数化表达形式；步骤四、根据能量平衡原理，分别建立平流层气球在白天和夜晚的能量平衡方程；步骤五、将步骤三得到的各能量交换项代入步骤四的能量平衡方程，再利用数值求解方法中的简单迭代法即求得平流层气球在白天和夜晚的温度。本发明仅需要囊布材料参数、悬浮高度和时间，就能得到平流层气球的白天和夜晚温度。
【专利说明】一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法，属于航空【技术领域】。
【背景技术】
[0002]平流层气球是一种低成本、高效率的航空器，能够长期执行侦察任务、进行货物投放等，具有非常广阔的应用潜力和前景，因此，相关技术成为今年来研究的热点。平流层气球在悬浮时的温度对于设计人员是非常关键的输入参数之一，尤其对其囊布材料的选取至关重要，因此，如何获取有效的温度一直以来都是工程人员需要解决的课题。通过平流层气球飞行试验可以直接测定其温度，但是试验成本比较高，并且费时费力周期长，也很难把所有的情况都通过试验来进行测定；有限元数值模拟方法需要建立复杂的有限元模型，计算复杂，计算效率低；现有的一些解析方法，模型考虑的因素不够全面，而且理论求解也比较复杂。因此，本发明提出了一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的解析方法，该方法非常简单实用，仅仅需要少量平流层气球的囊布材料参数、悬浮高度和时间，就可以很容易得到平流层气球的白天和夜晚温度，可见本发明具有重要学术意义和工程应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法，该方法具有计算简便，精度高等优点，其技术方案如下:
[0004]本发明一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法，该方法具体步骤如下:
[0005]步骤一、提出预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法的假设条件。
[0006]假设条件包括:
[0007](I)当平流层气球受载时，实际的形状类似水滴形，为了简化模型，将平流层气球简化为半径为R的圆形。平流层气球的特征尺寸L可以用直径来表示；
[0008](2)由于平流层气球的囊布非常薄，在微米量级，因此，假设囊布厚度方向的温度相同，不考虑囊布内层与外层之间的热传递；
[0009](3)不考虑平流层气球内部氦气的损失，假设平流层气球的重量是恒定的；
[0010](4)由于地球半径Re为6371.23km，而太阳距地球的距离为1.5X 108km，因此，假设太阳光到达地球上空时是平行光；
[0011](5)假设地球为热平衡体；
[0012](6)不考虑太阳辐射强度随太阳辐射角和大气消光系数的变化；
[0013](7)不考虑二氧化碳和臭氧红外辐射的影响。
[0014]步骤二、根据平流层气球的使用环境和工程热力学的基本知识，确定平流层气球的能量交换机理和各能量交换项。
[0015]平流层气球主要通过辐射和对流来进行能量交换，包括:平流层气球上半球吸收的太阳直接辐射项Q1 (t)、平流层气球吸收的太阳散射辐射项Q2 (t)、平流层气球下半球吸收的地球反射辐射项Q3(t)、平流层气球下半球吸收的地球红外辐射项Q4(t)、平流层气球对外的红外辐射项Q5(t)、平流层气球吸收的内部反射红外辐射项Q6(t)、平流层气球与外部大气之间的对流换热项Q7(t)和平流层气球与内部气体之间的对流换热项Q8(t)。
[0016]步骤三、针对步骤二提出的各能量交换项分别建立其热分析模型，获得具体各能量交换项具体的参数化表达形式。
[0017]平流层气球的微元的面积可表示为
[0018]
【权利要求】
1.一种预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一、提出预测平流层气球的白天和夜晚温度的新方法的假设条件； 假设条件包括: (1)当平流层气球受载时，实际的形状类似水滴形，为了简化模型，将平流层气球简化为半径为R的圆形，平流层气球的特征尺寸L用直径来表示； (2)由于平流层气球的囊布非常薄，在微米量级，因此，设囊布厚度方向的温度相同，不考虑囊布内层与外层之间的热传递； (3)不考虑平流层气球内部氦气的损失，设平流层气球的重量是恒定的； (4)由于地球半径Re为6371.23km，而太阳距地球的距离为1.5X 108km，因此，设太阳光到达地球上空时是平行光； (5)设地球为热平衡体； (6)不考虑太阳辐射强度随太阳辐射角和大气消光系数的变化； (7)不考虑二氧化碳和臭氧红外辐射的影响； 步骤二、根据平流层气球的使用环境和工程热力学的基本知识，确定平流层气球的能量交换机理和各能量交换项； 平流层气球通过辐射和对流来进行能量交换，包括:平流层气球上半球吸收的太阳直接辐射项Q1 (t)、平流层气球吸收的太阳散射辐射项Q2(t)、平流层气球下半球吸收的地球反射辐射项Q3(t)、平流层气球下半球吸收的地球红外辐射项Q4(t)、平流层气球对外的红外辐射项Q5(t)、平流层气球吸收的内部反射红外辐射项Q6(t)、平流层气球与外部大气之间的对流换热项Q7(t)和平流层气球与内部气体之间的对流换热项Q8(t)； 步骤三、针对步骤二提出的各能量交换项分别建立其热分析模型，获得具体各能量交换项具体的参数化表达形式； 平流层气球的微元的面积表示为(LA = Κ2?ηθ?θ?φ(I) 式中，dA为平流层气球上的微元面积，Θ为球坐标系的纬度或太阳辐射角或太阳光与微元法向之间的夹角，P为球坐标系的经度； 平流层气球上半球上的微元所吸收的太阳直接辐射为 (IQ1 (t) = a j τ 10Cos Θ dA (2) 式中，a i为平流层气球的囊布对太阳直接辐射的吸收率，τ为大气透明系数，Itl为太阳常数； 平流层气球上的微元所吸收的太阳散射辐射为 dQ2 (t) = a J1ClA (3) 式中，I1S太阳散射辐射强度； 平流层气球下半球上的微元所吸收的地球反射辐射为
f R λ2 clQA1) = α\Ρ,τ/η ? v..CQS0cosφ--4(4)
\Re +Η J 式中，Pg为地面反射率平均值，Re为地球半径，H平流层气球的悬浮高度，Φ为太阳光方向与地球中心和平流层气球中心连线方向之间的夹角； 平流层气球下半球上的微元所吸收的地球红外辐射为
【文档编号】G01J5/58GK103471723SQ201310406617
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】熊峻江, 白江波, 陈勇, 满孜郁 申请人:北京航空航天大学