利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

基于副气囊的平流层浮空器高度控制

浮空器悬停或飞行控制设计时,通常将风作为干扰项或阻力,螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力,而浮空器携带的能源有限,因此浮空器设计时存在欠能源问题。根据平流层风场的特点,采用副气囊控制浮空器的高度,实现平流层不同高度的风场利用,可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型,采用反步法设计浮空器高度控制器,利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计,并进行了仿真分析,证明所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型,仿真分析表明, 浮空器高度变化后,其囊体最终内外压差与初始压差相同。      

中国区域临近空间准零风层的观测特征

准零风层（Quasi-zero Wind Layer）是指平流层下部风速较小的东西风转换层,是临近空间（20~100 km）开发利用的重要参考依据,也是当前临近空间飞行器浮空运行的研究热点。基于2010－2019年中国多个站点L波段探空资料,将中国分为5个区域（15°N－20°N,20°N－25°N,25°N－30°N,30°N－40°N,40°N－50°N）,分析各区域准零风层的结构特点及其随纬度、季节的变化规律。根据实测风场分析发现平流层下部存在单层/双层准零风层,各区域的南北分布差异大致以25°N为界:单层准零风层主要出现在25°N以北的夏季;双层准零风层主要出现在25°N以南的10月至次年5月。单层/双层准零风层平均维持高度随纬度递增,且其厚度以双峰变化为主。此外,单层准零风层每月出现和维持天数均大于双层,30°N以北的单层准零风层在夏季的维持天数较其他区域长。      

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型，提出一种基于深度Q网络（DQN）算法的平流层浮空器高度控制方法，以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态，副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作，平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程，兼顾随机风场扰动与速度变化约束，实现稳定的变高度控制。仿真结果表明：考虑风场环境对浮空器影响下，DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制，最大稳态误差约为10 m，与传统比例积分微分（PID）控制器对比，其控制效果和鲁棒性更优。     

基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制

平流层风场环境对浮空器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,以长沙地区2005—2010年的风场数据为例,首先采用本征正交分解（POD）方法对风场数据进行降阶处理;然后分别采用Fourier级数与BP神经网络算法对平流层风场进行预测,并对2种模型的预测精度进行比较分析;最后通过建立临近空间浮空器的动力学模型和高度调控模型,分析2种风场预测模型对浮空器轨迹控制的影响。研究结果表明,相对于Fourier预测模型,基于BP神经网络预测模型的预测精度更高,可信度更强,能够更好地为浮空器飞行轨迹控制提供参考价值。      

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.      

径向变体飞艇总体参数估算方法

为突破临近空间可操纵浮空器的关键技术难点,使可操纵浮空器往返地面至临近空间成为可能,提出了一种径向变体飞艇的总体参数估算方法,该方法基于阿基米德浮力定律和李式变体飞艇原理(Li-Style Transformable Airship Theory),通过艇体结构的径向变形来实现艇体截面积的自适与可控变化,控制飞艇容积变化以改变净升力大小,并使飞艇在容积变化中始终保持可操纵的气动外形,从而实现飞艇的升、降与驻空和飞行等控制.通过设计变形方案估算内气囊与外气囊尺寸,分析力学平衡与能源平衡估算飞艇长度.在拟定设计参数的基础上,给出了一种太阳能径向变体飞艇的总体设计方案,并通过设计实例验证了此方法的可行性与实用性.     

基于PSO-BP神经网络的平流层风场短期快速预测

平流层风场环境对临近空间低速飞行器驻空飞行性能有重要影响。研究了基于PSO-BP神经网络的平流层区域风场建模与快速预测方法,根据历史风场数据,采用主成分分析法对数据进行降维处理,通过BP神经网络对风场进行预测建模,利用粒子群优化（PSO）算法对其进行优化,采用Biharmonic样条曲面插值方法构建区域预测风场。以南海地区5年历史风场为对象,对比分析了基于BP神经网络和基于PSO-BP神经网络的风场预测模型,结果表明:使用具有全局寻优特性的PSO算法改进BP神经网络,能够有效避免传统BP神经网络易陷入局部最优的缺点,提高预测精度;通过结合PSO-BP神经网络预测与Biharmonic样条曲面插值,可实现区域风场的预测。研究结果可为临近空间低速飞行器的轨迹规划与区域驻留等任务的高精度区域快速预报风场提供解决途径。      

临近空间风切变特性及其对飞行器的影响

基于MERRA再分析资料的风场数据,根据数理统计理论,对酒泉（39.1°N,98.5°E）上空临近空间的20~78 km的大气风场进行了风切变特征分析,并分析了临近空间风切变对飞行器的影响。研究表明,临近空间最多风向在1月和10月为西风,7月为东风,4月在50 km以下为西风,以上为东风;99%概率最大风速在1月最大;最大风引起的风切变存在一定的高度范围。根据最大风和最小风给出了综合矢量风。此外发现临近空间风切变对飞行器产生的风攻角显著,对马赫数为3、5和8的飞行器产生风攻角在69 km最大,分别为8.5°、5.1°和3.2°。      

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明:在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s-1的较高水平.      

Dynamic simulation of breakaway characteristics of tethered aerostats

A tethered aerostat may break away due to the cable damage caused by abrasion or strong wind. In order to avoid losing the aerostat, the discharge valve will open automatically when the aerostat escapes into the air. It is necessary to know its breakaway characteristics because it is different from those of the launch process. This work develops the dynamic and thermal models for tethered aerostat breakaway characteristics with the finite difference method. Based on the developed models, a computer program in FORTRAN is developed. Then, the program is used to simulate tethered aerostat breakaway characteristics, including ascent and descent behaviors, flight altitude, flight duration, and the influence of the discharge valve characteristics, ascent velocity and hull volume on the hull overpressure. The simulation results are helpful for better understanding tethered aerostat breakaway characteristics and for developing tethered aerostat breakaway control strategies and systems.     

某系留气球抗风性能仿真分析

系留气球以其显著特点已应用到许多领域,今后还会有大的发展。因所处环境的风力对飞行稳定性影响较大,故抗风能力成为系统重要指标。针对无法用实验手段进行验证的空中工作姿态,一般采取计算机仿真方法进行模拟研究。介绍了系留气球的设备组成,描述了空中飞行状态,通过建立动力学模型的数学方程式,施加1-consine型离散突风模型扰动,仿真了空中球体的俯仰角和滚转角随扰动时间的关系曲线,并对结果曲线进行分析研究,以期为同型系留气球的设计方法提供某种借鉴,为浮空器使用安全提供帮助。     

An alternate approach to very long duration ballooning in the northern hemisphere

A plan to achieve balloon flights of 2 or more weeks in the northern hemisphere is outlined. The results of 21 separate simulations of this flight plan are presented and discussed. The simulations are based on rocketsonde wind observations which were compiled to arrive at a continuous time/altitude depiction of the wind regime over the flight path. Simulated flight durations vary from 3 to 31 days and exhibit a wide variety of trajectory types.     

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.