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。     

临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径，有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行，是发展临近空间太阳能飞机的核心问题，也是形成“区域保持+时间持久”特色能力的关键。能量最优航迹规划方法是解决临近空间太阳能飞机跨昼夜能量闭环难题的有效技术方向。当前临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法可分为2类：不考虑风场变化的能量最优航迹规划方法和不考虑大范围高度变化的能量最优航迹规划方法。分别对这2类问题的研究成果进行了分析与讨论，考虑不同处理框架给实际工程应用带来的困难与挑战，认为未来应统一考虑太阳辐射、空间高度和风场变化，并融合重力势能与梯度风场对太阳能飞机临近空间持久驻留能量变化的影响，开展基于强化学习框架的太阳能飞机能量最优“通用”飞行航迹规划方法研究。为此，有必要开展临近空间风场环境表征与重构、临近空间梯度风场对太阳能飞机滑翔轨迹能量影响分析、最优飞行航迹示教轨迹生成与分类、基于示教轨迹的太阳能飞机强化学习框架构建等关键技术研究。可为设计太阳能飞机能量最优航迹规划方法提供参考，为规划太阳能飞机研究技术路线提供支撑。     

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.     

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。     

平流层浮空器的热特性与研究现状

研究平流层浮空器热状况的形成机制与特性是进行热控制设计和研究热控制技术的前提,对平流层浮空器技术的发展具有重要作用。在分析平流层对流与辐射热环境特性的基础上,运用传热学基本原理分析了浮空器热状况的复杂形成机制与影响因素。评述了浮空器热特性及其控制技术的研究现状,介绍了相关研究方法、热模型与主要结果,分析了平流层浮空器热特性研究得出的基本认识与存在的问题,指出了应进一步开展的研究方向。     

浮空器在武器装备信息化中的优势分析

浮空器在武器装备信息化中，是一种低成本防御性信息系统平台。首先介绍了浮空器的定义、基本组成和发展历史，然后详细分析了浮空器在工业发达国家的研究与应用现状，特别是平流层定点飞艇平台的发展趋势，最后结合我国的基本国情与武器装备信息化发展要求，分析了国内浮空器的研究发展水平、技术基础和浮空器在武器装备信息化建设中的作用和优势地位。     

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。     

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。     

复杂环境下多无人机轨迹姿态协同控制

考虑多无人机在实际飞行过程中的避障需求，在建立面向控制的四旋翼无人机轨迹姿态模型基础上，为克服传统多无人机为每架无人机规划轨迹的不足，研究了基于多无人机中心点的轨迹设计策略。进一步，考虑避障约束，基于半定规划进行迭代区域扩张完成了多无人机的安全飞行区域及队形设计。在此基础上，基于干扰补偿策略为每架无人机设计了协同控制器，最终确保了多无人机在多障碍环境下的安全飞行。     

临近空间低动态飞行器控制研究综述

针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题,分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先,基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点,归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上,结合这类飞行器的当前发展状况,从飞行器控制角度出发,着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制,以及应用的多种控制策略的研究进展。最后,在已有的控制问题研究发展的基础上,提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。     

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。     

Adaptive vector field based accurate homing control of aerial delivery systems

This paper investigates the homing control problem of a flexible aerial delivery system with external wind, at-mospheric turbulence, and aerodynamic uncertainties. An accurate homing control strategy is presented, consisting of a trajectory generation algorithm and a lateral tracking controller. A high-altitude trajectory generation is de-veloped with system characteristics explicitly considered to generate the desired trajectory for the aerial delivery control system design. It significantly compensates for the altitude deviation of the existing multiphase theory based trajectory generation methodologies. A novel adaptive vector field control law is then designed to accom-plish the lateral tracking maneuvers. The key feature of the proposed method is that the complete lateral closed-loop control, including position and heading angle loops, is achieved in the presence of disturbances and dynamic uncertainties. The homing control with high landing accuracy is therefore achieved. Simulation and hardware-in-loop testing results are finally presented to validate the proposed method’s effectiveness compared to a conventional homing control scheme.     

Post: Polar stratospheric telescope

The tropopause, typically at 16 to 18 km altitude at the lower latitudes, dips to 8 km in the polar regions. This makes the cold, dry and nonturbulent lower stratosphere accessible to tethered aerostats. Tethered aerostats can fly as high as 12 km and are extremely reliable, lasting for many years. In contrast to free-flying balloons, they can stay on station for weeks at a time, and payloads can be safely recovered for maintenance and adjustment and relaunched in a matter of hours. We propose to use such a platform, located first in the Arctic (near Fairbanks, Alaska) and, potentially, later in the Antarctic, to operate a new technology 6-meter, diluted aperture telescope with diffraction-limited performance in the near infrared. Thanks to the low ambient temperature (220 K), thermal emission from the optics is of the same order as that of the zodiacal light in the 2 to 3 micron band. Since this wavelength interval is the darkest part of the zodiacal light spectrum from optical wavelengths to 100 microns, the combination of high resolution images and a very dark sky make it the spectral region of choice for observing the redshifted light from galaxies and clusters of galaxies at moderate to high redshifts.Affiliated to the Astrophysics Division, Space Science Department, European Space Agency     

蒙皮材料对浮空器热特性影响的研究

分析临近空间浮空器热特性的影响因素,并建立临近空间浮空器热特性的数学模型,采用Fortran语言编写程序,对蒙皮材料热辐射特性对浮空器热特性的影响进行了研究.结果表明,选用短波吸收率较低且长波辐射发射率较高的蒙皮材料时,氦气平均温度的昼夜差值较低,浮空器热性能越好.夜晚蒙皮温差随长波辐射发射率的增加而增加;而白天随短波辐射吸收率的增加而增加,在长波辐射发射率较大时,其对蒙皮温差的影响不大,然而长波辐射发射率比较小时,蒙皮温差会非常大,蒙皮温差的峰值出现于黎明和黄昏时段这两个时段.     

基于高空风修正的四维航迹优化算法

航迹预测是基于航空器航迹运行的核心技术,也是空中交通流量管理的基础技术。结合航空器飞行速度数据与航段飞行时间数据,分析高空风对航空器飞行时间的影响。基于GRIB2格式风数据,建立高空风修正模型,提出一种四维航迹优化算法进行航迹预测。利用中南区域实际航班飞行数据进行算例仿真,并与实际雷达飞行数据进行对比。对比结果表明,预测飞行时间总误差分别减少了7%和16.4%,从而验证了模型的有效性与正确性。