Light weight optimization of stratospheric airship envelope based on reliability analysis

A stratospheric airship is an essential flight vehicle in the aviation field. In this paper, optimal design approach of stratospheric airships is developed to optimize envelope shape considering three failure modes and multidisciplinary analysis models, and could also reduce the mass of a stratospheric airship to be deployed at a specific location. Based on a theoretical analysis, three failure modes of airships including bending wrinkling failure, hoop tearing failure and bending kink failure, are given to describe and illustrate the failure mechanism of stratospheric airships. The results show that the location, length and size of the local uniform load and the large fineness ratio are easier to lead to bending wrinkling failure and bending kink failure. The small fineness ratio and the increasing differential pressure are more prone to cause hoop tearing failure for an airship hull. The failure probability is sensitive to the wind field. From an optimization design, the reliability analysis is essential to be carried out based on the safety of the airship. The solution in this study can provide economical design recommendations.     

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。     

平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势

平流层飞艇研制是一项庞大复杂的系统工程,其技术攻关、系统研发及工程应用中遇到的诸多关键问题与技术难点,需要用全新的理念和创新的方案解决。综述了国内外平流层飞艇研制的进展与现状,重点描述了已经开展的技术验证试飞的情况。针对平流层飞艇总体布局、超压囊体、能源系统、飞行控制和定点着陆5个方面,梳理了其技术难点、研究现状和发展趋势,从工程研制的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

基于行为逻辑的平流层飞艇试验自动测试方法

平流层飞艇飞行试验之前需在地面开展测试以保证飞艇测控、安全控制等关键分系统功能正常和全系统长时工作可靠。通过研究平流层飞艇的系统结构组成、功能以及控制逻辑,给出了平流层飞艇测试行为逻辑和测试行为;在此基础上,构建了试验测试模式和测试流程,给出了试验测试系统实现方法,确定了测试系统中测试程序功能的实现方式。最后,通过平流层飞艇试验测试实施验证了自动测试方法的有效性。     

平流层飞艇大迎角气动特性分析

为了获得大迎角下的平流层飞艇的气动特性,基于N-S方程及k-ωSST湍流模型,对某平流层飞艇的大迎角气动特性进行数值模拟分析.结果表明：平流层飞艇的大迎角失速特性及力矩特性与飞机具有较大的区别,飞艇的失速迎角较大（45°左右）;俯仰力矩特性在失速前呈现完全不同的两种趋势,小迎角范围内其静不稳定,迎角增加到一定程度后变为静稳定且维持该状态直至失速.研究结果对平流层飞艇的大迎角操稳设计、飞控设计具有重要的参考意义.     

A novel inflatable rings supported design and buoyancy-weight balance deformation analysis of stratosphere airships

Owing to the unique advantages in flight altitude, dwelling time and wide coverage area,stratospheric airships provide permanent monitoring and surveillance for both civil and military applications. Here we propose a semi-rigid stratosphere airship design with circumferential highpressure inflatable rings and a longitudinal carbon fiber skeleton supported inside. We perform numerical simulations to analyze the deformation characteristics during the whole ascending and descending process. An equi...     

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NURBS和梯度法的飞艇形状优化

采用非一致有理样条曲线(NURBS)作为飞艇外形参数化方法、基于梯度的优化方法、飞艇体积作为约束条件、飞艇的阻力系数作为目标函数的优化流程对平流层流动条件下的飞艇外形进行了优化.阻力系数通过求解二维黏性不可压缩流场获得,阻力不但包含了形状阻力也包括了黏性阻力.优化过程以LOTTE飞艇的形状为初始形状,优化的结果表明优化后飞艇的气动性能明显改善,阻力系数有了比较明显的降低.优化的结果也同时证明了该方法适用于飞艇的优化命题.      

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。     

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。     

空-空导弹攻击区的高精度快速拟合

针对一般拟合法在处理空－空导弹攻击区这一复杂的非线性函数时所存在的问题,提出多关系式拟合-插值法,降低了拟合阶次。数字仿真结果表明,该方法极大地提高了拟合的精度和速度。     

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。     

Yaw controller design of stratospheric airship based on phase plane method

Recently,stratospheric airships prefer to employ a vectored tail rotor or differential main propellers for the yaw control,rather than the control surfaces like common low-altitude airship.The load capacity of vectored mechanism and propellers are always limited by the weight and strength,which bring challenges for the attitude controller.In this paper,the yaw channel of airship dynamics is firstly rewritten as a simplified two-order dynamics equation and the dynamic characteristics is analyzed with a phase plane method.Analysis shows that when ignoring damping,the yaw control channel is available to the minimum principle of Pontryagin for optimal control,which can obtain a Bang–Bang controller.But under this controller,the control output could be bouncing around the theoretical switch curve due to the presence of disturbance and damping,which makes adverse effects for the servo structure.Considering the structure requirements of actuators,a phase plane method controller is employed,with a dead zone surrounded by several phase switch curve.Thus,the controller outputs are limited to finite values.Finally,through the numerical simulation and actual flight experiment,the method is proved to be effective.     

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。     

基于混合优化的运载器大气层内上升段轨迹快速规划方法

针对运载器大气层内的最优轨迹快速规划问题,提出一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合的混合优化方法。首先,基于最优控制问题的一阶必要条件,将运载器大气层内的三维最优上升问题转化为Hamiltonian两点边值问题;然后,采用直接法中能以较少的节点获得较高求解精度的Gauss伪谱法进行求解,提高算法的求解效率;最后,采用真空解析解初值及密度同伦技术,解决初值猜测与算法收敛困难的问题。仿真结果表明,混合优化算法能够准确、快速地对运载器大气层内的最优上升轨迹问题进行求解,并在计算精度与效率上均优于间接法,可应用于运载器的轨迹在线规划与闭环制导。     

单项技术指标对临近空间浮空器总体尺度的影响

 为了控制浮空器的尺度、降低其技术难度和成本,需要明确其瓶颈性技术领域及参数指标。在一定假设下,给出了一套给定参数估算常规飞艇形式浮空器总体几何尺度的计算流程。基于这一流程,以一组普通产品技术指标为基础,分别提升其中每一项后估算得到不同技术指标配置方案下浮空器的总体尺度。通过分析这些计算结果,得到了单项技术指标对飞艇形式临近空间浮空器总体尺度的影响规律。     

基于充气结构的非常规飞艇设计

研究充气结构在飞艇设计、制造和操控方面的用途,提出一种由受压变硬的空心管组成的充气结构,其安装在飞艇囊体上,使得飞艇结构变得更坚固。这种设计创新可以降低结构质量,也可提高非常规飞艇的动力和机械性能。同时,由于这些充气结构的简易性,制造和操作过程中面临的难题将会大大减少。     

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。