平流层飞艇定点保持模式的建模与稳定性分析

平流层飞艇作为一种新型的通信和观测等应用平台受到世界各国越来越多的重视,定点保持模式是平流层飞艇的飞行任务中很重要的一环。该模式下的控制系统与平飞模式下的传统舵面、螺旋桨控制系统相比具有较大的特殊性。文章建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,并分析了模型中假设的控制输入即矢量推力螺旋桨执行机构所产生的控制力和力矩在物理实现上的可行性。在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)近似理论对无控制输入系统进行了稳定性分析,得出系统在无控制输入时是不稳定的,最后通过仿真验证了分析结果。     

平流层飞艇的能源技术和平衡分析

平流层飞艇作为近空间对地观测平台的一种实现方案,主要依靠自身庞大体积产生的静浮力而不像其它飞行器依靠相对空气运动产生升力,所以飞艇能够以较慢的速度飞行甚至能够在空中长期保持定点悬停即相对地面静止。具有长时间在平流层自主飞行的能力,是平流层飞艇设计的一个重要目标。文章对平流层飞艇能源系统的构成、部件及能源平衡分析方法作了介绍。     

平流层飞艇的能源技术和平衡分析

平流层飞艇作为近空间对地观测平台的一种实现方案，主要依靠自身庞大体积产生的静浮力而不像其它飞行器依靠相对空气运动产生升力，所以飞艇能够以较慢的速度飞行甚至能够在空中长期保持定点悬停即相对地面静止。具有长时间在平流层自主飞行的能力，是平流层飞艇设计的一个重要目标。文章对平流层飞艇能源系统的构成、部件及能源平衡分析方法作了介绍。     

平流层飞艇的环境控制

文章叙述了平流层飞艇要经历的对流层和平流层的环境特点,对平流层飞艇的环境控制进行了分析,并提出了环境控制的几个注意问题。     

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题，将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段，建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型，该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化，为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础；考虑飞艇内部状态不能实时获取，提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法，为保证在线学习能力，采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析，阐述了控制飞艇压差的必要性；对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明，所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力，对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。     

基于离子风电推进系统的平流层飞艇飞行轨迹分析

针对传统螺旋桨受大气密度等环境变化影响,推力和效率显著下降的特点,提出将新型离子风电推进系统应用于平流层飞艇,建立动力学模型和相应推力模型,通过Simulink模块开展轨迹跟踪与定点控制仿真,并对15 km到30 km高度上螺旋桨和离子风作为平流层飞艇主动力的飞行轨迹进行对比分析。结果表明,40 kW功率下,在20 km以上高度,离子风动力飞艇的飞行曲线偏移量与瞬态响应时间远小于螺旋桨动力飞艇。通过优化离子风推进器的结构,选取最佳电压和电极间隙,有可能实现离子风作为飞艇的主动力。     

平流层飞艇控制与推进技术

飞艇作为平流层平台可以实现无线通信、空间观测、大气测量以及军事侦察等目的。本文主要结合平流层的环境特点对平流层飞艇动力推进系统的组成和概念进行初步分析,并对飞艇在升空、浮空、回收过程中的飞行控制策略进行探讨,同时简要分析了控制系统的组成、控制难点和飞艇应急控制问题。     

平流层飞艇的环境控制

文章叙述了平流层飞艇要经历的对流层和平流层的环境特点，对平流层飞艇的环境控制进行了分析，并提出了环境控制的几个注意问题。     

平流层飞艇艇身外形研究

为了完成特定的任务,平流层飞艇需要克服风场保持长期定点,因此要求其阻力最小。飞艇总阻力中艇身阻力占60-70%,因此对飞艇而言,针对艇身外形进行研究得到阻力小而且实际可用的外形是非常重要。本文采用势流-边界层耦合方法与混合遗传算法对平流层飞艇艇身的外形进行了优化。外部势流采用在艇身表面分布点源的Hess\|Smith面元法求解,边界层计算采用积分边界层方法,阻力系数采用
Squire\|Young方法计算得到。最优外形通过由遗传算法和Nelder\|Mead单纯形法组成的混合遗传算法优化得到。通过优化分析得到了一种实际可用的优化外形,具有在湍流和层流两种流态下阻力系数都比较小的优点。     

反步法与神经网络融合的平流层飞艇轨迹鲁棒控制方法

针对平流层飞艇水平轨迹控制面临外部风场扰动和模型参数不确定的特点,提出一种反步法与RBF神经网络融合的非线性鲁棒轨迹控制方法。该方法采用Lagrange动力学模型,通过反步法直接求解推力和力矩的控制律,采用RBF神经网络动态优化调整反步法的控制增益参数。仿真结果表明,新的控制方法可实现平流层飞艇对直线/圆组合式参考轨迹的高精度跟踪控制,有效克服风场扰动和模型不确定性因素造成的不利影响。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计,文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N-S方程,采用非结构网格的有限体积方法进行了求解;空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式;紊流模型分别采用了S-A一方程模型M-SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题,为平流层飞艇设计提供参考依据。     

基于B样条的平流层飞艇外形优化设计

为改善飞艇气动性能,提高推进系统的效率,增加飞艇承受有效负载的能力并延长其运行时间,将飞艇艇体气动阻力和艇体表面积两个主要因素引入到平流层飞艇外形优化设计中,建立了复合目标函数,在飞艇体积不变的前提下,采用EXTREM数值优化算法,对平流层飞艇外形基于B样条曲线参数化方法在体积和长度不变的限制条件下,进行了双目标优化设计,优化后,外形的气动阻力减小了7.12%,同时飞艇艇体表面积也减少了1.76%。文章的研究结果实现了减阻和减重的双重目标,证明了该方法是合理可行的,可为平流层飞艇总体设计提供相关参考。     

平流层飞艇飞行温度限和飞行速度限分析

平流层飞艇的飞行性能对其飞行安全、机动能力等非常重要.本文结合平流层飞艇的特点,提出"飞行温度限"和"飞行速度限"对其极限飞行性能进行评估,并在理论分析的基础上,提出相应的估算方法.通过具体实例,对平流层飞艇的极限飞行性能进行评估.     

平流层飞艇艇务管理任务分析

针对平流层飞艇的特点,文章分析艇务管理的主要任务,并对艇务管理的任务特点探讨了艇务管理系统在设计时可采用的各种技术,为开展平流层飞艇的研制提供设计思路。     

平流层飞艇艇务管理任务分析

针对平流层飞艇的特点，文章分析艇务管理的主要任务，并对艇务管理的任务特点探讨了艇务管理系统在设计时可采用的各种技术，为开展平流层飞艇的研制提供设计思路。     

太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析

研究太阳电池对平流层飞艇驻空阶段热特性的影响。建立了太阳电池热模型、平流层飞艇热分析模型，包括热平衡方程、太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、蒙皮长波辐射、对流换热等；采用多节点模型，对平流层飞艇在驻空期间太阳电池、蒙皮与艇内氦气温度变化过程进行了数值模拟，得到了温度昼夜变化规律；分析了太阳电池（含隔热结构）的等效面积热阻、转换效率、铺装面积对平流层飞艇热特性的影响，得到了其温度昼夜变化规律。本文为平流层飞艇热性能分析和热控系统设计提供依据。     

半硬式平流层飞艇龙骨结构设计与有限元分析

文章基于内部带有龙骨的半硬式平流层飞艇的结构设计,应用ANSYS有限元分析软件建立了龙骨的计算模型。对约束条件以及结构单元参数进行了分析,得到了龙骨结构在重力载荷作用下的应力和变形。计算结果符合结构设计规范的要求,可以为半硬式平流层飞艇的结构设计提供参考。     

Design,modeling and control for a stratospheric telecommunication platform

The stratospheric airship provides a unique and promising platform for broad band telecommunication relay missions, which combine the advantages of both terrestrial and satellite communication. In this paper, the conceptual design, dynamics modeling and attitude control of the stratospheric telecommunication platform are presented. First, the stratospheric telecommunication platform is introduced, including conceptual design, configuration, energy sources, propeller and payload. Second, dynamics model of the platform is derived form the Newton–Euler formulation and the station-keeping attitude control problem is formulated. Then, the adaptive fuzzy sliding mode control scheme is proposed to develop the attitude-tracking control system, with a particular focus on parametric uncertainties and external disturbances. Finally, simulation results verify the effectiveness and robustness of the proposed control scheme. The proposed conceptual design and control scheme provide a promising approach for telecommunication relay missions using the stratospheric station-keeping airship.