平流层飞艇的控制模式对其定点特性的影响

通过对平流层飞艇定点过程的飞行状态、控制模式和工作环境的分析,建立了飞艇在定点阶段的热力学和动力学模型,并用C++可视化语言对控制方程编程求解。对无黑皮不充放空气和有黑皮充放空气两种不同状况、不同控制模式下的飞艇进行了飞行特性的数值模拟和对比,获得了两种不同状况下飞艇膜、黑皮、内部空气和氦气的温度以及飞艇的高度随时间的变化关系。结果表明:太阳辐射、飞艇的控制模式和太阳能电池阵列对其定点性能有较大影响。     

平流层飞艇囊体气密层材料及氦气透过聚合物研究现状

 平流层飞艇是一种依靠主气囊充满轻于空气的气体的浮力在18～24 km高空工作的重要的低速近空间飞行器,飞艇囊体气密层材料的气体阻隔性能特别是对氦气的阻隔性能是确保平流层飞艇正常工作和延长驻空时间的关键技术。在介绍飞艇气囊工作原理的基础上,分析了平流层飞艇对囊体材料性能的要求,重点分析了对组成层压结构囊体的气密层材料的性能要求和选材依据,并对气体透过聚合物薄膜的一般过程和机理进行了阐述。详细归纳了国内外对用做浮空气体的氦气透过聚合物的研究现状,指出高阻隔气密层材料的国产化是中国发展平流层飞艇所面临的一个瓶颈问题。     

平流层飞艇关键技术与自主控制技术研究

针对平流层飞艇特点,对平流层设计中的关键技术进行讨论。在分析飞艇受力情况下,依据理论力学原理和飞艇运动参数之间的几何关系,建立了以螺旋桨电驱动系统为动力推进的飞艇动力学方程和运动学方程,并进行了线性化处理:依据所建模型,综合滑模面设计和控制律两方面设计了飞艇变结构控制律,数字仿真显示了滑模控制律的有效性。     

基于响应面近似技术的平流层飞艇协同设计优化

针对平流层飞艇多学科设计优化问题,引入协同优化算法,分析基于响应面近似模型的协同优化方法CO/RSA的执行步骤和特点,并介绍响应面近似模型的构建方法;建立平流层飞艇各学科模型,并对学科间耦合关系进行分析;运用建立的气动/推进、结构、能源三个耦合子系统的学科分析模型和系统优化模型,以平流层飞艇总质量最小为优化目标,综合考虑浮重、推阻和能源平衡,采用CO/RSA方法对平流层飞艇进行设计优化.结果表明:所建立的平流层飞艇的MDO模型是合理的,CO/RSA算法应用于飞艇总体设计优化是有效的,研究结果可为平流层飞艇方案论证和方案设计提供参考.     

Dryden型大气紊流对平流层飞艇能量最优轨迹影响

研究了常值风场作用下平流层飞艇的上升段轨迹优化和大气紊流对最优轨迹的影响问题。首先基于平流层飞艇的受力分析,建立了考虑常值风场、地球自转和飞艇质量变化等诸多因素的三自由度动力学模型,处理参数得到归一化的系统方程;其次采用直接配点法将平流层飞艇的最优轨迹问题转换为非线性规划问题,以最小能量为目标函数,给出非线性规划问题的求解策略,优化得出可行解后对飞艇的最优上升轨迹及相应的加速度项进行了分析,将优化的控制量代入微分方程验证了优化轨迹的准确性;最后加入Dryden型大气紊流的干扰,选取多组大气紊流干扰下的数据进行对比分析,仿真结果表明大气紊流叠加风场均值与飞艇终端位置误差存在一定规律,分析并提出了平流层飞艇抵御大气紊流干扰的策略。     

基于流固耦合的平流层飞艇超压-体积变化特性研究

为了更加准确反映平流层飞艇超压状态下的体积变化,基于LS-DYNA程序,运用流固耦合方法分析某飞艇超压-体积变化特性,研究弹性模量对于超压量、体积变化的影响。结果表明:飞艇内部气体超压将导致飞艇体积增大1%至4%,而飞艇体积的增大将减缓内部超压值增长的速度,超压量与体积变化呈线性关系,囊体弹性模量对飞艇体积变化有较大影响,呈非线性关系。研究结果可为平流层飞艇的结构设计和浮力控制提供一定理论支撑。     

基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节方式研究

姿态调节机构是平流层飞艇姿态控制系统的执行部件,姿态调节贯穿于飞艇上升、平飞和下降整个过程。现有技术中,平流层飞艇姿态调节主要有升降舵、调姿副气囊和固态压舱三种形式,针对升降舵和调姿副气囊控制效率低以及固态压舱不能循环利用等问题,提出了一种基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节新方案。论述了新方案的设计要求、结构特点以及原理分析。新方案采用液态压舱的形式,不仅提高了姿态调节控制效率,而且可以循环利用。验证飞艇飞行试验结果表明,采用该方案的姿态调节形式能够满足平流层飞艇长时间飞行控制需求。     

平流层浮空器保压指标对驻空性能的影响

地面保压试验是综合评估囊体材料性能的重要手段,其设计指标将影响平流层浮空器总体驻空高度与时间的变化范围。以球形超压平流层浮空器为例,建立了驻空高度运动学模型、热力学模型及基于微孔损伤的氦气渗透模型,综合考虑驻空过程中力、热耦合引起的浮空器内部氦气压力、温度和质量等的实时变化,以囊体材料微孔当量直径为桥梁建立了平流层浮空器地面保压指标与驻空高度、驻空时间的耦合关系,通过定量分析不同保压指标下浮空器驻空性能的变化情况,提取影响规律,为保压指标的合理设计提供总体参考。     

平流层通信平台动力学模型的建立

分析了平流层飞艇通信平台的特点,根据飞艇的基本操作原理,建立了一个小刚度柔性飞艇的动力学模型.作为研究飞艇通信平台飞行控制的基础,这个模型包括惯性学、动力学、空间动力学等方面的物理量,为进一步设计计算机仿真飞行控制系统提供基础.     

平流层飞艇环境适应性评价模型

阐述了平流层特别是20km高度左右平流层的环境特点,分析了各种环境因素对长期在此空域中驻留飞行的平流层飞艇性能的影响,在此基础上,建立了平流层飞艇环境适应性评价指标体系。并针对其各评价指标的物理意义不同且数量级相差较大的特点提出了基于物理规划和层次分析法相结合的综合评价模型。算例和分析结论表明:抗风速度余量和产生消耗能量比在平流层飞艇对其飞行环境的适应能力评价中占有重要比重,应成为飞艇总体方案设计和论证时的重点关注指标。     

基于变结构控制方法的自主飞艇定点控制

自主飞艇高空定点期间存在模型参数摄动及平流层风扰动变化等诸多不确定性因素。针对这种特点,采取变结构模型参考自适应控制方法设计了飞艇的定点控制器。非线性仿真结果表明,设计的控制器能够适应对象结构参数及外部扰动的大范围变化,满足定点控制精度要求,具有良好的鲁棒性和动态性能。     

平流层电动机控制器热特性仿真分析和实验

为得到某电动机控制器在平流层低温低气压环境下工作时的热特性,开展了基于软件Icepak的热仿真分析,并通过地面环境模拟实验和平流层飞行实验对仿真模型进行了验证,仿真结果与实验结果基本吻合。结果表明:控制器的热设计可以满足保温和散热要求;在平流层低气压条件下,内部风扇可有效地保持控制器内部温度的均衡;平流层高度的太阳辐射对控制器内部温度分布有较大影响,在进行热设计时应予以考虑。研究结果为平流层电动机控制器的工程应用提供重要的参考依据。      

基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷研究

FAA-P-8110-2《飞艇设计准则》相关条款明确了飞艇起落架载荷的适航规范要求,为了使飞艇起落架 设计更好地满足适航条款,本文提出基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷计算方法。根据经典动力学理论, 推导飞艇起落架系统的振动微分方程组;运用 Python语言的科学计算模块对模型进行编程、封装,形成便捷友 好的可视化仿真工具;以某载人飞艇型号为研究对象,分析影响起落架载荷的主要因素,并通过仿真计算起落 架载荷。结果表明:提出的基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷计算模型满足FAA-P-8110-2条款对起落架 载荷计算的要求;在给定的气囊内外压差下,起落架载荷随着气囊压力的增加而减小。     

超压气球飞行过程热特性数值研究

在分析超压气球几何外形、内外热环境和受力等情况的基础上,建立了超压气球几何、热力学和运动学模型。基于该模型,对超压气球上升-驻空过程进行了仿真模拟,得到超压气球飞行高度、内部氦气温度、氦气内外超压、气球体积以及气球飞行速度随时间的变化规律。结果表明:气球在上升过程中,氦气存在严重的"超冷"现象,而在驻空过程中,出现严重的"超热"现象。升速度曲线呈"W"型变化;中午过后,随着太阳辐射的减弱,氦气温度开始下降,但驻空高度维持不变。研究结果为超压气球的设计和研究提供了重要的依据,更好地保证气球在飞行期间的运行安全。     

基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计

为了在平流层飞艇推进系统高效率和轻质量需求的矛盾之中取得平衡,提出基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法。利用试验设计和代理模型技术分别建立了高空电动机、螺旋桨的主要设计参数与其效率和质量的代理模型。建立了包含太阳能电池和储能电池的飞艇能源系统质量计算模型。以整系统能量平衡和推阻平衡为约束,以推进与能源系统总质量最小为目标,借助多岛遗传算法构建了飞艇推进系统优化设计数学模型。对某型平流层飞艇推进系统进行了优化设计,结果表明:优化后的推进系统效率提升了23%,推进与能源系统总质量降低了340 kg,验证了该平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法的可行性和应用价值。     

平流层飞艇总体多目标优化设计与决策

将多目标优化与多属性决策相结合应用于平流层飞艇总体多目标优化中。建立平流层飞艇多目标优化模型,实现优化模型参数化建模,采用多目标进化算法NSGA－Ⅱ得到Pareto最优解集,构成多属性决策矩阵,采用模糊熵权TOPSIS（ M－TOPSIS）法对Pareto非劣解进行排序,获得最佳设计方案。最终结果验证了NSGA－Ⅱ平流层飞艇多目标优化中的有效性。     

实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展

平流层飞艇具有极高的实用价值,是国内外临近空间开发的研究热点。和中低空常规飞艇相比,由于单位体积所提供的浮力大大降低,使得平流层飞艇设计时存在艇体体积、阻力和重量之间的循环关系,飞艇结构轻量化成为平流层飞艇研发的首要课题,受到了各国研究机构的高度重视。本文对目前实现平流层飞艇结构轻量化的主要方法和技术进行了整理,给出了利用这些方法实现结构轻量化的平流层飞艇研究进展,比较了这些方法的优势和不足,并对新型的平流层展开飞艇技术进行了分析。分析结果认为改进蒙皮材料性能、改变飞艇的结构形式和利用新型的空中展开飞艇将是平流层飞艇实现结构轻量化的主要手段,新型空中展开飞艇能够有效地实现结构轻量化,具备较好的发展潜力。     

Stratobus平流层飞艇项目研究进展与仿真分析

平流层飞艇是当前的前沿热点研究方向,创新性强、技术挑战大。针对国外公开在研的大型超长航时平流层飞艇项目Stratobus,首先对基本方案进行总结分析,梳理总体研究进展,然后归纳剖析囊体材料、太阳电池、可再生氢氧燃料电池、吊舱移动系统等核心关键技术方案和研究进展,在此基础上,通过数值仿真,对决定平流层飞艇总体方案可行性的浮重平衡、推阻平衡、能源平衡进行综合分析,提出了Stratobus项目发展的启示,为平流层飞艇总体设计和研究发展提供参考借鉴。     

多气囊平流层浮空器动力学建模及控制

针对多气囊平流层浮空器的建模和控制问题,建立其浮空器动力学模型并设计了一种积分变结构控制律.首先,全面分析平流层浮空器所受力和力矩,利用牛顿力学方法建立非线性动力学模型,并分析多气囊运动所带来的和普通浮空器建模之间的区别；然后,基于积分变结构控制方法设计俯仰通道姿态控制律,并应用Lyapunov函数方法证明其稳定性；最后考虑舵偏限幅和限速率以及参数拉偏,进行数字仿真,分析比较了加入积分项前后的控制效果.仿真结果表明,设计的控制律具有较强的鲁棒性,浮空器也具有良好的动态特性.     

飞艇空气动力学及其相关问题

对低空和高空飞艇在发射、回收、驻留、巡航或系留状态下所涉及的空气动力学问题及其重要性进行分析,介绍飞艇空气动力学研究的进展和主要结论,指出需要进一步解决的问题。低空飞艇的空气动力学问题主要包括厚艇身带来的流动分离与减阻、非薄平组件的非线性干扰、柔弹性表面或系留带来的流固耦合、因低速飞行带来的环境敏感性等。大量学者进行了相应的研究。高空即平流层飞艇还涉及多种新的空气动力学问题,包括热、浮力与气动的强耦合、昼夜外形变化、发射与回收过程中的突风带影响、风切变干扰等。关于这些问题的研究处于起步阶段。另外,还针对地面及大气边界层的影响、多边形外形以及副气囊喷流与主流干扰等很少有人研究的问题对飞艇周边流场进行了初步数值模拟。