临近空间串联气球系统设计与特性分析

目前,零压气球和超压气球固有的不足限制了高空气球的飞行能力。提出了 1种无需消耗压舱物和浮升气体即可实现昼夜高度自稳定且能够长时间迂回飞行的临近空间串联气球系统。结合了 2种气球的优点,避开了现阶段高空气球发展遇到的困难。建立了昼夜飞行高度一定的串联气球系统的数学模型,设计了能够利用准零风层风场条件实现迂回飞行的串联气球系统,通过与单一零压气球系统对比,验证了该系统的优势。数值仿真分析了零压气球形状、系统设计高度对超压气球尺寸、最大超压量等关键参数的影响,为设计飞行性能更好的系统提供了重要参考依据。     

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。     

基于假想衰减项法的超压气球结构有限元分析

采用基于假想衰减项的非线性有限元显式动力学方法对超压气球结构模型进行了仿真,探讨了加强筋数量对球体应力和变形的影响。结果表明,超压气球经向布置的加强筋能显著降低气球蒙皮经线方向上的应力水平,同时由于加强筋对蒙皮的约束作用使气球蒙皮产生"鼓包",改变了蒙皮纬线方向的曲率半径,从而减小了纬向张力,提高气球整体的耐超压水平;根据仿真计算结果,当加强筋数量从0增加到36时,蒙皮的经、纬向应力值均显著下降,其中经向下降幅度更大,达64.4%。     

智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

基于风场利用的智能平流层浮空器具有驻空时间长、系统构成简单、部署速度快、使用效费比高、自主能力强等优点，是临近空间飞行器发展的重要方向。针对典型基于风场利用的平流层浮空器Loon项目，通过对项目实施及实践探索的综述，深入分析其囊体材料与结构、高度调控、能源与推进、安控回收、风场建模、自主控制等关键技术特点，基于学科建模对总体参数、超热超压、气体泄漏、能源平衡、轨迹规划等方面进行仿真研究，总结了Loon智能平流层浮空器的技术特点，为基于风场利用的平流层浮空器设计与应用研究提供参考。     

基于模型耦合的高空系留气球升降过程研究

为了研究高空系留气球升降特点,将气球飞行动力学模型与热力学模型相结合,通过数值仿真重点模拟并分析高空系留气球的上升与下降过程。结果表明:随着气球的升降,气球内部的气体温度变化明显,在上升过程中出现超冷现象,而在下降过程中出现超热,同时,气球内气体温度的变化又影响了气球的体积,进而通过浮力、阻力等环节对气球的升降过程起到一定的"负反馈"作用;在此基础上,气球的升降过程还需要着重考虑系留缆绳的控制作用,上升过程中缆绳的释放速度需要快,不得阻碍气球上升,而在下降过程中缆绳的收卷速度需要慢,不得超过自身的强度极限,研究得出在文中工况下高空系留气球缆绳的放线速度不小于14 m/s,回收最大拉力在90 kN量级以内。研究结果对高空系留气球系统设计具有重要的指导意义。     

基于探空气球系统的高空高速飞行器空速校准方法研究

针对高空高速飞行器的空速系统校准,提出了一种基于高空气象探测气球系统的空速校准方法。通过探空气球系统获取飞行空域的大气数据,以此为基础完成对飞行器的空速系统校准。飞行试验结果表明,采用探空气球系统对高空高速飞行器进行空速系统校准,方法可行、结果可信。     

基于相似理论进行超压气球离心压缩机选型方法研究

为了运用超压气球所需性能参数匹配出离心压缩机型号,通过相似理论和幂函数嵌套二次多项式对离心压缩机的气动性能模型仿真所得数据进行拟合,利用现有超压气球性能数据,采用相似换算,进行不同运行环境的折合计算和不同转速下的性能换算,得出以流量、压力比为目标值的性能换算目标转速值,然后利用目标转速匹配出离心压缩机的转速,选出了离心压缩机型号。该方法可对离心压缩机的选型以及针对超压气球工况来匹配离心压缩机转速提供参考。     

高空气球太阳能电池标定用太阳跟踪控制技术

高空气球标定的太阳能电池是可被用于地面太阳模拟器和太阳光光强检测的标准电池。首先,给出了由飞行气球搭载的高空太阳能电池标定所使用的太阳跟踪控制系统设计方法,包括基于STM32的太阳跟踪控制系统硬件设计方案、混合自动追踪控制策略、软件开发与实现方法、高空跟踪控制技术问题解决方案以及高空标定试验等。同时,解决了高空气球电池标定用太阳跟踪控制系统在极端环境下高可靠性、连续追踪和防抖动等关键技术问题。试验结果为气球飞行高度32km,平飘时间超过2h,太阳跟踪偏差小于1°。经初步分析,高空太阳跟踪控制系统标定测试结果合理可靠,工作性能稳定,为中国高空气球太阳能电池AM0标定用太阳跟踪控制系统的研究提供了新思路。     

火星超压气球温度分布研究

 针对火星气球的温度特性开展研究,首先分析了火星大气的特殊热环境;归纳了影响火星气球温度特性的主要环境因素;设计了两种不同蒙皮辐射特性的原型超压气球;建立了计算火星气球稳态温度分布的模型,并做了合理的简化;选择了热、冷、任意时刻及特殊工况进行气球的蒙皮和内部气体温度计算.结果表明,通过改进蒙皮辐射特性的设计,可以满足火星气球在特定工况下飞行的温度要求.     

美军高空飞艇

本文简述了高空飞艇的优势及面临的技术难题,重点阐述了美军高空飞艇项目如HAA项目、ISIS计划、海象飞艇、NSMV计划、HARV计划、CHHAPP、采用新材料的同温层飞艇计划和"黑暗空间站"高空漂浮飞艇平台的研制情况。指出了高空飞艇广阔的应用前景,并对我国发展高空飞艇提出了建议。     

平流层长航时气球轨迹控制系统研究

首先介绍了平流层气球的应用意义及进行轨迹控制的必要性,然后描述了一种基于不同海拔风速差的轨迹控制方法,简要说明了平流层风速随海拔的变化规律,在此基础上研究了包括超压气球和轨迹控制系统在内的气球飞行系统各部分特点,最后简单分析了整个飞行系统的建模与仿真中的要点问题。结果表明,这种轨迹控制方法是一种几乎不需要消耗能源的有效轨迹控制方法,具有较高的应用价值和推广价值。     

平流层大气中的通信中继技术

在平流层大气中利用航空器承载通信中继平台的方法,即以气球天空站或高空长航时飞机作为通信中继平台新的承载工具,可以弥补陆基通信网络和星基通信网络之不足,使信息高速公路所采用的立体通信在新的层次上增加了新的途径.     

神秘的旧日本军队气球部队

<正>气球是人类历史上第一人实用的载人飞行器。1783年,法国人孟格菲兄弟首成功地把纸制的热气球送上了天。同年底,兄弟二从乘坐热气球从巴黎市起飞,飞过了塞纳河,在市郊的意大利广场降落。自此揭开了人类飞行的新篇章。1792年,可以固定在一处的系留气球发明。1794年,在法国大革命中,法军首次使用气球进行高空侦察。到了1870-     

天基光学平台下弹头与气球诱饵中段观测运动差异分析

为了解决弹道导弹在中段释放气球诱饵伴飞,以干扰天基光学防御系统对导弹目标进行精确跟踪识别的问题,基于弹头和气球诱饵质阻比的差异,利用美国NRLMSISE-00(Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter radar Exosphere,海军研究实验室质谱仪和非相干散射雷达大气经验性模型)对气球诱饵进行相应动力学分析,得出气球诱饵在弹道中段的大气阻力模型.然后给出了J2摄动下,气球诱饵经过阻力修正后较精确的中段运动模型,并将结论引入到天基光学平台中,进行观测仿真实验.结果表明,在200 km以上的高空,大气阻力对于弹头和气球诱饵的影响微弱,可忽略不计,在观测像平面中表现为一块难以区分的亮斑;而在100～200 km高度范围内,气球诱饵受大气阻力影响剧烈,在观测像平面内的运动与弹头存在较大差别,具有较强的可区分性.     

净升力对临近空间浮空器上升航迹的影响分析

基于临近空间浮空器动力学与热力学耦合关系,研究分析上升过程飞行航迹与内部气体热性能。建立临近空间浮空器初始充气量模型、热模型和上升过程动力学模型,通过飞行试验验证了数学模型的准确性。仿真计算了某高空科学气球的上升航迹,得到了气球净升力对爆破高度、速度等飞行航迹性能参数的影响,分析了参数变化规律与变化原因。研究结果表明,随着净升力的增加,爆破高度迅速降低,而气球上升速度逐渐上升,且上升速度的增大比爆破高度的减小相对于净升力的变化更加敏感,表明气球的净升力对航迹性能参数存在重要影响。研究结果可为临近空间浮空器设计、试验和应用提供理论参考。     

美国气球和飞艇的军事开发

近年来,美国加大了飞艇和气球在军事领域应用和研制的力度,并开始研制世界上最大的巨型飞艇.它们可以在高空进行长时间的持续监视,并充当预警雷达平台。美国还将飞艇的军事应用扩展到了空间     

航空发动机高空模拟试验正交设计研究

通过分析现有试验设计方法存在的不足和正交试验设计方法的优势,提出采用正交试验设计方法进行航空发动机高空模拟试验设计的思路。对高空模拟试验的项目、指标、因素和水平进行分析,根据不同的试验项目和指标确定试验设计的因素及水平;再选择适合的正交表并进行表头设计,将试验因素和水平按照一定的原则填入正交表后获得正交试验方案;最后以航空发动机高空稳态性能试验为对象进行正交试验设计,获得的试验方案在高空台效率提升等方面具有一定的指导意义。     

基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点，通过引入控制设计，克服轨迹控制和高度控制等方面的局限，具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力，是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析，梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术，重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状，对现有方案进行深入分析，从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

一种浮空器压力调节综合控制系统设计

针对现有浮空器压力控制系统设计的不足,结合浮空器的使用环境,提出了一种基于双机冗余热备份、嵌入式CPU、高精度实时数据采集与处理的压力调节控制装置解决方案。首先建立了浮空器的压差数学模型;接着,以该模型为基础,进行压力调节控制系统设计,包括多余度压力控制系统设计、仲裁融合应急处理设计、压力自控设计。最后,采用该种设计的系留气球的空中试验结果表明,该压力系统控制能够根据气球所处不同的工作状态,融合传感网络状态信息,自主选择自控程序入口,较好的对气球气囊压力进行了有效调节与控制,保证了气球的安全。     

剩余浮力对系留气球静平衡特性的影响分析

在进行系留气球总体方案设计时,剩余浮力的选择直接影响到系留气球气囊和副气囊体积等参数的设计,剩余浮力选择不当将造成研制成本的增加或静平衡特性指标无法实现。因此,对同一系留气球不同剩余浮力,及两种不同体积的系留气球在相同剩余浮力时的静平衡特性进行计算与对比分析。结果表明:对同一体积的系留气球,剩余浮力对系留气球俯仰角、高度损失和水平漂移量影响较大,且剩余浮力越大,其俯仰角、高度损失和水平漂移量越小;随着系留气球体积的增大,剩余浮力对系留气球高度损失和水平漂移量的影响将逐渐减小。