CN109446559A - 一种浮空器辐射热环境特性估算方法 - Google Patents

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孟小君
叶虎
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张宇
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Abstract

本发明属于浮空器热环境分析领域，尤其涉及一种浮空器辐射热环境特性估算方法。包括步骤计算大气层外边界辐射强度Isun；计算地面处太阳直射辐射强度Id，0；计算地面处大气透过率τatm，0，τatm，0＝Id，0/Isun；根据地面处大气透过率τatm，0计算高度H处大气透过率τatm；根据H处大气透过率τatm、大气层外边界辐射强度Isun确定高度H处太阳直射辐射强度Id，Id＝Isun·τatm；计算高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm；确定地表温度Tground，并根据地面长波辐射透过率和发射率及玻尔兹曼定律确定地面长波辐射强度。本发明根据较少的测量数据估算目标场地放飞的浮空器在不同高度H处所受辐射热环境特性参数，减小了高度和地理环境给浮空器热特性计算带来的误差，在浮空器热设计、蒙皮选材、飞行试验安全等方面具有指导意义。

Description

一种浮空器辐射热环境特性估算方法
技术领域
本发明属于浮空器热环境分析领域，尤其涉及一种浮空器辐射热环境特性估算方法。
背景技术
浮空器是一种依靠浮升气体升空、体积巨大的低动态飞行器，在通信中继、对地观测、空间探测等领域具有广阔应用前景。浮空器升降及驻空过程中，外界热环境变化导致内部浮升气体温度变化，会影响到其内部压力、飞行控制及安全。浮空器的环境热效应主要受对流和热辐射综合影响，其中热辐射主要受太阳直射辐射和地面长波辐射的影响。不同地区热环境迥异，尤其是辐射热环境存在较大差异，以往研究中多采用通用经验模型进行估算，难以反映地区热辐射环境差异给浮空器热特性带来的影响。戴秋敏(浮空器热环境与热特性研究，南京航空航天大学博士学位论文，2014年)根据气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等参数的垂直分布情况拟合了新的太阳直射辐射强度和地面长波辐射强度模型，计算精度得到了提高，但该方法测量数据种类较多，对于一些测量条件有限的区域难以实现。
发明内容
本发明目的在于，提供一种浮空器辐射热环境特性估算方法，可根据较少的测量数据估算目标场地放飞的浮空器在不同高度处所受辐射热环境参数。
为达到上述发明目的，本发明所述浮空器辐射热环境特性估算方法，包括如下步骤：
S1，计算大气层外边界辐射强度Isun；
S2，计算地面处太阳直射辐射强度Id，0；
S3，计算地面处大气透过率τatm，0，τatm，0＝Id，0/Isun；
S4，根据地面处大气透过率τatm，0计算高度H处大气透过率τatm；
S41，高度H处大气透过率τatm与大气质量m呈指数关系，τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；其中，a，b均为待拟合系数；
S42，将高度0处大气透过率，即τatm地面处大气透过率τatm，0带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]，利用最小二乘法对地面处大气透过率τatm，0与大气质量m进行拟合，确定系数a，b的值；
S34，将确定的系数a，b带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]，得到高度H处大气透过率τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；
S5，根据H处大气透过率τatm、大气层外边界辐射强度Isun确定高度H处太阳直射辐射强度Id，Id＝Isun·τatm；
S6，计算高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm；
式中，P0为地面处大气压强，Patm为高度H处大气压强；
S7，确定地表温度Tground，并根据地面长波辐射透过率和发射率及玻尔兹曼定律确定地面长波辐射强度。
S71，地表温度根据气温Tatm确定，Tground＝cTatm+d；
其中，c，d均为拟合系数；
S72，根据地表温度Tground、地面长波发射率εground和高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm计算高度H处地面长波辐射强度IIR,ground，
式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为σ＝5.67×10-8。
进一步，步骤S41中根据高度H处大气压强Patm以及所对应的太阳高度角h计算大气质量m，大气质量m计算公式为：
进一步，所述不同高度H的范围为地面至海拔32km处。
本发明根据较少的测量数据估算目标场地放飞的浮空器在不同高度H处所受辐射热环境特性参数，减小了高度和地理环境给浮空器热特性计算带来的误差，在浮空器热设计、蒙皮选材、飞行试验安全等方面具有指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例中一种浮空器辐射热环境特性估算方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例、基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中所采用的太阳直射辐射表等设备均为市售。
实施例1
一种浮空器辐射热环境特性估算方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1，计算大气层外边界辐射强度Isun；
根据不同日期的天序号n确定大气层外边界辐射强度Isun，大气层外边界辐射强度Isun计算公式为
其中I0为太阳常数，其值为1367W/m2。
S2，利用太阳直射辐射表计算地面处太阳直射辐射强度Id，0；
S3，根据大气层外边界辐射强度Isun及地面处太阳直射辐射强度Id，0计算地面处大气透过率τatm，0，τatm，0＝Id，0/Isun；
S4，根据地面处大气透过率τatm，0计算高度H处大气透过率τatm；
S41，不同高度处大气压不同，从而大气质量不同，先根据测量时刻的高度H处大气压强Patm以及所对应的太阳高度角h计算大气质量m，大气质量m计算公式为：
高度H处大气透过率τatm与大气质量m呈指数关系，τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；其中，a，b均为待拟合系数；
S42，将高度0处大气透过率，即τatm地面处大气透过率τatm，0带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]，利用最小二乘法对地面处大气透过率τatm，0与大气质量m进行拟合，确定系数a，b的值；
S34，将确定的系数a，b带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]，得到高度H处大气透过率τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；
所述不同高度H的范围为地面至海拔32km处。
S5，根据H处大气透过率τatm、大气层外边界辐射强度Isun确定高度H处太阳直射辐射强度Id，Id＝Isun·τatm；
S6，计算高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm；
地面长波辐射透过率在地面处为1，透过率随海拔上升呈指数递减，与太阳直射辐射的大气透过率形式类似，故高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm采用下式计算：
式中，系数a，b的值与步骤S4中确定的值相同，P0为地面处大气压强，Patm为高度H处大气压强；
优选地，所在高度H处的大气压强Patm根据下式确定：
S7，确定地表温度Tground，并根据H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm和地面长波发射率εground及玻尔兹曼定律确定地面长波辐射强度；
S71，地表温度根据气温Tatm确定，Tground＝cTatm+d；
其中，c，d均为拟合系数；
S72，根据地表温度Tground、地面长波发射率εground和高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm计算高度H处地面长波辐射强度IIR,ground，
式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为σ＝5.67×10-8。
优选地，地面长波发射率εground根据不同地表类型确定：草地0.98，土壤0.93，城市0.92，冰雪0.99，水体0.95，沙漠0.88。
综上可知，本发明中的浮空器辐射热环境特性估算方法实现了利用较少的测量参数对目标地区放飞的浮空器在不同高度处受到的太阳直射辐射强度和地面长波辐射强度进行估算的效果。

Claims (3)

1.一种浮空器辐射热环境特性估算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，计算大气层外边界辐射强度Isun；
S2，计算地面处太阳直射辐射强度Id，0；
S3，计算地面处大气透过率τatm，0，τatm，0＝Id，0/Isun；
S4，根据地面处大气透过率τatm，0计算高度H处大气透过率τatm；
S41，高度H处大气透过率τatm与大气质量m呈指数关系，τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；其中，a，b均为待拟合系数；
S42，将高度0处大气透过率，即τatm地面处大气透过率τatm，0带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+ex(p-bm)]，利用最小二乘法对地面处大气透过率τatm，0与大气质量m进行拟合，确定系数a，b的值；
S34，将确定的系数a，b带入公式τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]，得到高度H处大气透过率τatm＝0.5[exp(-am)+exp(-bm)]；
S5，根据H处大气透过率τatm、大气层外边界辐射强度Isun确定高度H处太阳直射辐射强度Id，Id＝Isun·τatm；
S6，计算高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm；
式中，P0为地面处大气压强，Patm为高度H处大气压强；
S7，确定地表温度Tground，并根据H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm和地面长波发射率εground及玻尔兹曼定律确定地面长波辐射强度；
S71，地表温度根据气温Tatm确定，Tground＝cTatm+d；
其中，c，d均为拟合系数；
S72，根据地表温度Tground、地面长波发射率εground和高度H处地面长波辐射大气透过率τIR,atm计算高度H处地面长波辐射强度IIR,ground，
式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为σ＝5.67×10-8。
2.根据权利要求1所述一种浮空器辐射热环境特性估算方法，其特征在于，步骤S41中根据高度H处大气压强Patm以及所对应的太阳高度角h计算大气质量m，大气质量m计算公式为：
3.根据权利要求1所述一种浮空器辐射热环境特性估算方法，其特征在于，不同高度H的范围为地面至海拔32km处。
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