美国土卫六自主探测飞艇技术研究

根据土卫六星体环境特征和科学探测任务要求,结合美国自主飞艇技术研究进展,分析阐述了深空探测飞艇覆盖范围大、驻空时间长、能源消耗少等性能特点,以及可实现未来空-天-地一体立体式精细化的探测应用,并重点讨论了土卫六自主探测飞艇总体方案及关键技术,可为我国今后研制深空探测飞艇平台提供借鉴。     

带辅助安定面平流层飞艇的航向静稳定性分析

为增强平流层飞艇航向静稳定性，在不显著增加飞艇重量前提下，提出一种带辅助安定面的飞艇气动布局。建立飞艇计算模型，数值模拟飞艇在不同侧滑角、俯仰角下航向静稳定性及气动阻力特性，并与未集成辅助安定面的飞艇进行对比，最后分析辅助安定面面积对航向静稳定性的影响。结果表明：带辅助安定面的飞艇气动布局具有较好的航向静稳定性。相同条件下，随着侧滑角增大能够更快地达到航向稳定；在30°侧滑角，辅助安定面与尾翼面积比值大于0.05时，偏航力矩系数由无辅助安定时-0.8增加为正；辅助安定面面积越大，偏航恢复力矩越大，航向静稳定性越好。     

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。     

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。     

飞艇气囊压力与蒙皮张力的估算

平流层飞艇的研制开发近年来成了世界各国的研究热点,由于平流层飞艇的滞空高度高,在上升和下降时飞艇气囊的体积和压力变化动态范围很大,其气囊的设计与低空飞艇有很大的不同。为了给飞艇的气囊结构设计、强度设计提供依据,采用微元受力分析的方法,对气囊蒙皮内张力的进行了分析,得出了飞艇气囊内外压差、曲率半径、气囊蒙皮内张力的关系。该关系还可以应用于各种充气囊体的张力分析,并利用此关系对飞艇的蒙皮张力进行了计算。     

临近空间飞艇保形升空过程热运动特性研究

为了掌握双气囊临近空间飞艇升空过程中因保形需要而导致的复杂的热运动特性，文章建立了飞艇升空过程中的热平衡模型与运动模型，对某双气囊飞艇的保形升空过程进行仿真研究，获得了临近空间飞艇升空过程中轨迹与温度的变化规律。结果表明：临近空间飞艇保形升空时，升空速度呈现先降低后升高的变化趋势；受升空过程中氦气囊膨胀对外做功的影响，内部气体“过冷”现象明显，“过冷”最高可达20K；当飞艇升至驻空高度附近时，内部气体温度快速上升；受净浮力影响，飞艇的升空时间与充气质量呈反比；受夏至日太阳辐射投影面积的影响，飞艇升空过程中俯仰角越大，虽然阻力系数减小，但辐射得热降低，造成整体升空时间增加；气囊超压设置越大，飞艇升空时间越长。研究成果对临近空间飞艇的升空与运行控制具有一定的指导作用。     

基于遗传算法的平流层飞艇航迹规划方法研究

文章针对平流层飞艇驻空阶段航迹规划问题进行研究和仿真分析.考虑平流层飞艇自身飞行的特点,建立其运动学方程和风场模型,并在适当假设基础上,构造能够反映其飞行能耗的代价函数.最后采用遗传算法进行算例计算,求解平流层飞艇最优轨迹.仿真结果表明,遗传算法能够有效、快速地收敛并稳定至问题的最优解;其所构造的代价函数能够反映飞艇自...     

半硬式与软式平流层飞艇结构静力性能比较

平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器,可以在海拔20km的高度驻空工作几个月甚至几年,用于对地观测和通讯具有重大的政治和军事意义。平流层飞艇按照结构形式可分为软式和半硬式两种。分别选取了一种半硬式和软式平流层飞艇的结构体系布局方案。基于浮力与重力作用下平衡形态的原理,应用ANSYS有限元软件,建立了具有相同结构尺寸和结构质量的半硬式和软式平流层飞艇的结构模型,在相同的载荷和约束条件下比较了两艘艇结构的力学性能。通过计算分析,在受到外载荷的作用时,相比较于只由蒙皮构成的软式艇结构,内部具有刚性龙骨的半硬式结构设计,可以更好的协调整艇的结构变形,改善蒙皮的应力分布和保持蒙皮双向受拉的工作状态,有效地避免蒙皮出现单向受拉或褶皱等失效状态。所以,半硬式艇结构比软式艇结构更适合作为平流层飞艇的结构形式。文章研究结果可为平流层飞艇结构方案的选择提供参考。     

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。     

高空零压气球上升过程的运动特性研究

飞行在20km～100km高度的临近空间浮空器,在区域监视、侦查、应急通信与科学实验等领域具有独特的优势。高空零压气球是常见的临近空间浮空平台之一。对其上升过程运动特性的研究有利于增加驻空时间、减少横向漂移距离。文章通过建立零压气球充气量模型和气球上升过程中的动力学模型,对气球上升过程中动力学模型进行仿真分析,结合高空飞行试验数据,验证了所建模型的准确性。在模型的基础上对比了不同浮升气体对气球上升速度以及驻空高度的影响;研究了浮升气体充气量对载荷总量的影响,并分析了气球在上升过程中的体积变化以及驻空高度与浮升气体质量的关系,最后讨论了影响气球上升特性的关键因素。可以得到零压气球上升过程运动特性与浮升气体种类、充入气体量、气球规格、载荷质量有关,假设气球可无限膨胀不发生爆炸,浮升气体密度越小,充入气体量越多,载荷质量越轻,气球的驻空高度就越高,达平衡所需时间越少;实际工程应用中,气球受材料限制不可无限膨胀,面密度小的气球,可能在上升到驻空高度前发生爆炸,要使气球携带一定质量载荷在某一高度范围驻空,其充气量不能过多,需与一些物理量满足一定关系。     

临近空间再生燃料电池储能系统散热风扇性能

针对平流层飞艇再生燃料电池储能系统的风冷散热组件,采用Fluent计算散热风扇在设计飞行高度不同转速条件下的风压、流量、静压效率等性能参数。进而针对海拔0~20km高度的环境温度和压力变化,计算20kW散热能力条件下散热组件风量需求及其对应风扇转速、功耗等变化趋势。在此基础上,进行散热组件不同海拔高度环境下的性能试验,风扇模型计算结果和试验数据吻合较好。结果表明风冷散热组件能够满足再生燃料电池储能系统在包括起飞、高空驻留和降落在内的整个任务周期的散热要求。     

高空飞艇螺旋桨驱动电机分析

高空飞艇的一些概念设计中采用电动机驱动螺旋桨的电推进系统,对该系统中电 动机的关键技术进行分析,为高空飞艇螺旋桨驱动电机的研制提供参考。针对高空飞艇的电 源和不同电动机的特点,分析了螺旋桨驱动电机应首选稀土永磁无刷直流电动机。根据高空 飞艇对螺旋桨的推力要求,分析了满足螺旋桨驱动需求的驱动电机的额定参数确定。结合高 空环境的特点,从材料选择、轴承润滑和电机温升等方面对驱动电动机的高空适应性设计进 行了探讨。稀土永磁无刷直流电动机驱动螺旋桨的地面试验表明所设计的电动机样机具有高 效率,能够满足螺旋桨驱动需求。
     

平流层飞艇热力学模型和上升过程仿真分析

建立了平流层飞艇的热力学控制模型,并采用该模型对飞艇的上升过程进行了仿真分析。分析表明,飞艇上升过程中的热力学和动态传热过程对飞艇的浮力和飞行控制有重要影响;飞艇上升过程中,为保持艇内外压差,需维持较大的空气出流量,艇内气体随外界压力降低膨胀做功,飞艇会处于较大的超冷状态,飞艇与外界大气的对流换热和日照条件下吸收太阳热辐射能量,可减轻飞艇的超冷状态;飞艇上升速率越快,艇内外气体温差越大,飞艇超冷状态越严重,净静升力降低越大。     

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。     

基于浮空器的新型应急通信监测系统

介绍了一种新型的机动式空中应急通信监测系统,该系统以机动式系留气球和小型遥控飞艇为空中平台,搭载各种通信、侦察、监测等电子设备,具有快速灵活、机动性强、费用低廉等特点,能够适应复杂环境,面对突发事件时可以快速布置到任何需要的地方。     

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。