近空间飞艇相对于传统飞行器具有成本低、滞空时间长等优点,在近几十年受到广泛的关注及发展。近空间飞艇利用氦气等浮升气体和空气之间的密度差保持升空和悬停,飞艇内部气体的压力和温度特性决定了飞艇的起降和滞空的性能。传统近空间飞艇采用空气囊和主氦气囊的组合来调节囊内气体温度改变而导致的压力变化。在调节过程中,随着空气的进出,飞艇的总重量会发生改变,从而使得飞艇高度产生不断的震荡变化甚至失稳。据此,本文提出了一种基于高压氦气瓶储存多余氦气的气囊压力调节方法,可使得飞艇滞空高度保持稳定。其次,飞艇在上升、驻空、下降过程中,内部气体温度的变化是决定飞艇飞行状态的重要因素,而蒙皮表面的对流换热是影响内部浮升气体温度的关键因素之一。然而目前仍缺乏综合考虑浮空器长细比、Re、攻角参数的外部对流换热系数计算的高精度关联式,因此本文发展了一种综合飞艇几何外形和外界空气参数的高精度计算关联式。最后,飞艇载荷舱内部安装了飞艇执行任务所需的主要设备,外界恶劣的环境条件以及内部高热流密度的电子设备工作状态,迫切的需要一套质量轻、结构简单的环境控制系统对其进行环境控制以保证飞艇正常的飞行和工作需求。根据以上认识,本文围绕近空间飞艇热特性和载荷舱环境控制系统展开了如下研究工作:(1)飞艇在上升、悬停和降落过程中的大气环境以及在此过程中传热、受力过程分析浮空器在大气环境中所接受到的各种辐射和对流换热决定了浮空器的热特性,首先分析了浮空器所处的大气环境,研究了太阳直射、散射、地面反射、长波辐射等热量的计算方法,在此基础上利用能量守恒定理给出了基于气囊薄膜的热平衡方程。分析了浮空器在上升、下降及驻空过程中的所受的力,建立了飞艇的动力学方程,作为飞艇上升和下降分析的基础。(2)计算飞艇的外部对流换热飞艇的表面为椭球体,并且不同研究单位设计的飞艇长细比等几何尺寸不一,然而目前,在飞艇表面热特性研究中对流换热模型都采用基于球体和无限长圆柱的简单经验公式,计算精度远达不到实际飞艇研究的精度要求。近年来相关学者尝试着研究基于椭球体的飞艇表面对流换热系数的经验式但其适用范围依然有限并且基本忽略对飞行攻角影响因素的考虑。基于上述研究现状,本文对基于椭球体的飞艇的表面对流换热系数进行了三维模型CFD研究。获得了飞艇表面强迫对流换热Nu数与Re数和长细比、攻角之间的关系。在此基础上,运用回归分析方法,获得新的飞艇的表面对流换热系数的计算关联式。(3)分析临近空间飞艇的滞空热特性将飞艇气囊离散为三角形单元,求解蒙皮的热性能方程,分析浮空器蒙皮一天的温度变化曲线,计算超压气囊与高压氦气瓶之间的氦气流量变化。并研究了主氦气囊与副氦气囊所占比例、季节、纬度、浮空器的朝向、气囊的布置位置等对飞艇热特性和氦气流量的影响。(4)研究飞艇上升与下降过程的热特性及排气阀门的防冰热量飞艇上升空过程中排气阀门产生冰堵会影响浮空器的升空过程。电热防除冰是飞艇在上升过程中可以利用的最有便利的手段。联合求解飞艇的热力学和动力学方程,获得了飞艇上升过程中的温度变化特性,在此基础上获得了浮空器的排气流量特性参数。同时,根据湿空气的状态方程计算排气阀门的结冰量,分析初始空气湿度、升空温度和纬度参数对防冰电热功率的影响。(5)提出了一种基于开放式二氧化碳制冷的飞艇设备舱环境控制系统传统的载荷舱环控系统一般借助于外部空气作为冷源,其无法应对飞艇起飞和降落阶段可能出现的环境温度高于设备要求温度的环境控制要求。本文对电子设备舱进行了整体热设计研究,在分析近空间飞艇电子设备舱传热特性的基础上,针对上述现状提出了采用辅助高压二氧化碳作为冷源的开放式送风的近空间飞艇电子设备舱整体环境控制方案。建立了电子设备舱的传热模型,对定风量和变风量两种情况下设备舱内温度的变化进行了理论计算。并对电子设备舱的局部热设计进行了研究。