飞艇续航时间论证方法研究

由于飞艇续航时间受飞行速度、重力浮力配平方式、载油量变化、风场条件等多种因素的影响,飞机续航时间计算方法并不适用于飞艇,因此提出了一种新的基于试验设计和统计分析方法的飞艇续航时间论证方法。分析了工作高度的风场速度分布规律,分别给出完全靠发动机推力矢量平衡和完全靠动升力平衡两种不同情况下飞艇续航时间计算方法,以某大型对流层飞艇为研究对象,计算了初始方案在不同平均巡航速度、配平重量和配平方式下的平均燃油消耗率和最大续航时间,对经过减阻、减重、减少耗油率等技术改进后优化方案能达到的续航时间和概率进行了分析和论证。研究表明,某飞艇初始方案在使用区域风场条件下基本能满足留空时间72h的指标要求,经技术改进后,指标仍有较大的提升的空间。方法考虑了飞艇续航时间的多种影响因素、取值变化和交互影响,比较适宜在飞艇这类涉及重浮力配平和任务耗油率变化的浮空器上使用。     

临近空间变体飞艇技术研究

介绍临近空间飞艇国外发展现状,分析变体飞艇系统重量轻、飞行升限高、环境适应性和持续驻空能力强的独特优势,论述临近空间飞艇的高效变体模式,阐述临近空间变体飞艇的关键技术,如飞艇变体控制技术、飞艇飞行控制技术,为临近空间飞艇后续研究提供参考。     

平流层飞艇螺旋桨相似准则分析与验证

根据螺旋桨相似理论,选择等Re数和等前进比作为一组相似准则.通过数值模拟验证该相似准则组合的正确性和适用性,着重研究密度对螺旋桨相似性参数的影响,并将螺旋桨数值计算结果与缩比模型地面常规密度风洞试验的有关结果进行了对比分析.结果表明:数值模拟的不同工作高度下螺旋桨无量纲气动力系数相互重合,螺旋桨数值计算结果和地面风洞试验结果基本吻合,表明在所选择的相似准则下,密度基本不影响螺旋桨相似性参数.平流层飞艇螺旋桨可以在地面常规密度风洞中按照等Re和等前进比相似准则进行缩比模型试验,为平流层螺旋桨的试验研究提供参考依据.     

Trajectory tracking control for underactuated stratospheric airship

Stratospheric airship is a new kind of aerospace system which has attracted worldwide developing interests for its broad application prospects. Based on the trajectory linearization control (TLC) theory, a novel trajectory tracking control method for an underactuated stratospheric airship is presented in this paper. Firstly, the TLC theory is described sketchily, and the dynamic model of the stratospheric airship is introduced with kinematics and dynamics equations. Then, the trajectory tracking control strategy is deduced in detail. The designed control system possesses a cascaded structure which consists of desired attitude calculation, position control loop and attitude control loop. Two sub-loops are designed for the position and attitude control loops, respectively, including the kinematics control loop and dynamics control loop. Stability analysis shows that the controlled closed-loop system is exponentially stable. Finally, simulation results for the stratospheric airship to track typical trajectories are illustrated to verify effectiveness of the proposed approach.     

临近空间飞艇艇库外约束及稳定性分析

临近空间飞艇在发放前通常停放在艇库内,一旦离开艇库就不可避免地受到艇库外天气,尤其地面风的影响,不仅影响飞艇发放操作的快捷和安全,而且还事关飞行试验的成败。文章建立了大型飞艇在地面受两侧约束时的力学模型,采用动力学方法,分析了受到地面风作用时飞艇的姿态和约束拉力的变化,得到地面风起时和风速稳定后的解析解,评估了飞艇受到地面风作用时的稳定性和安全性。通过分析得到在两侧约束条件下飞艇对正向风和侧风的承受极限,为临近空间飞艇采用两侧约束方式的可行性提供了判据,也为今后发展临近空间飞艇发放技术提供借鉴。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

柔性飞艇气动与变形耦合的数值模拟

软式飞艇在低充气内压和来流共同作用下,其整体结构刚度较小,应视为柔性体。飞艇所产生的柔性变形和流场之间的耦合已经成为大家越来越关注的问题。提出了一种解决充气飞艇囊体结构变形与流场变化之间耦合问题的方法,其中流场计算采用SIMPLE算法,固体变形计算采用静力非线性算法。结果表明：在零攻角条件下,飞艇的柔性变形对流场特性的影响不明显,由于气动载荷的作用,导致囊体内外压差产生变化,从而导致应力分布的变化,使得艇首系留部位加强和腰部撕裂强度之类的问题更加突出。     

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。     

基于褶皱的平流层浮空器升空结构形变模拟

平流层浮空器囊体材料具有非线性、黏弹性、各向异性和不能抗压等特点,起皱现象是在升空膨胀过程中必然会出现的形变状态,褶皱的扩展会影响整个囊体结构的受力状态,改变囊体变形和应力分布.同时,褶皱的存在还会影响囊体结构的动力学行为和空间环境下的热力学分布.通过主应力-主应变相结合准则对褶皱区域进行判别,采用修正褶皱单元的本构矩阵方程的方法对褶皱区域进行处理,地面充氦气试验证明了新方法的模拟结果更加接近测试值.从而为平流层浮空器设计提供了一种有效的分析方法.     

基于本征正交分解的平流层风场建模与预测

平流层风场环境对临近空间低动态飞行器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,提出一种基于本征正交分解(POD)的风场数据降阶方法,在此基础上,提出一种可以对平流层风场进行预测的Fourier模型。以长沙地区2005—2009年风场为例,采用提出的POD方法与Fourier预测模型对风场进行建模与预测,并对Fourier预测精度进行分析。研究结果表明,采用POD方法可以对东西方向风场进行高效率高精度降阶建模;通过Fourier预测模型可以对东西方向风场进行准确预测,预测精度与实际风场随时间变化的规律性有关,风场数据越紧凑,周期性越明显,预测精度越高。