中国海洋经济发展迅速,但海洋环境复杂,海雾、台风、强对流灾害频发,严重威胁人类的生产生活安全,造成巨大的经济损失。平流层飞艇应用于海洋气象监测,有其独特的优势:可持续在15-30 km工作、分辨率高、载重能力强。平流层气象飞艇对于进一步提升海洋气象的监测和预测能力、加快海洋气象服务进程有重要意义。作为气象监测平台,飞艇必须稳定、可靠。飞艇的热特性与滞空飞行高度、结构和设备性能、蒙皮材料的特性等因素密切相关。本课题以带有超压氦气囊的平流层气象飞艇为研究对象,采用自编有限元仿真C++程序计算环境因素和飞艇自身因素对飞艇热特性的影响。主要研究内容和成果如下:(1)建立了飞艇的热环境数学模型,包括:太阳辐射,天空、地面长波辐射,半透明蒙皮内、外红外辐射,飞艇内、外对流换热。分别建立了蒙皮、光伏电池和氦气囊的热力学平衡方程组。采用龙格库塔法求解上述微分方程组,获得了不同工况下的的逐时飞艇温度,并通过实验数据验证了程序的可靠性。(2)考察了季节、纬度、飞艇内外对流换热、气囊分布方式、蒙皮特性对飞艇热特性的影响。研究结果表明:夏季和低纬度情况下的飞艇热稳定性较差。同时,适用于飞艇几何模型和Re范围的外部强迫对流经验公式的计算误差较大,不同公式下的氦气温度差值最大约15K。将Fluent计算所得的Nu带入自编程序计算,比较其与上述经验公式计算结果的误差。结果表明Dai的公式(2.51)更适用于本课题。主、副氦气囊左右分布比上下分布更有利于降低氦气的昼夜温差。蒙皮太阳辐射吸收率对飞艇温度的影响较蒙皮长波辐射发射率更大,对飞艇温度的影响起主导作用。吸收率大的光伏电池虽然温度较高,但输出功率也更高;电池发射率增大有利于降低其工作温度,提高工作性能。光电转化效率的提高和等效热阻的增大能够一定程度的缓解超热现象。(3)基于DOE试验设计方法,采用Minitab软件进行了多因素敏感性分析。研究结果表明:10个影响因子对氦气昼夜温差的影响程度排序为:蒙皮太阳辐射吸收率>风速>气囊分布>季节>纬度>蒙皮长波辐射发射率>光伏电池太阳辐射吸收率>光伏电池长波辐射发射率>光伏电池等效热阻>光伏电池转换效率。去掉不易控制的和影响不显著的因子后,再次设计扩组试验,拟合方程,得到的最优因子水平组合为:蒙皮吸收率0.1、蒙皮发射率0.9、光伏电池吸收率0.5、光伏电池发射率0.9、光伏电池等效热阻0.8 m~2?K/W,该组合在夏季极限工况下的氦气昼夜温差为17.404K,拟合方程与程序计算结果误差为1.77%。