NASA高空气球的研究及其进展

高空气球是一种可以实现平流层飞行的无动力浮空器。文章重点从气球的结构、蒙皮材料、热特性研究及试飞试验等方面介绍了NASA高空气球的研究及其进展,为中国高空气球的研究发展提供参考。     

高空零压气球上升过程的运动特性研究

飞行在20km～100km高度的临近空间浮空器,在区域监视、侦查、应急通信与科学实验等领域具有独特的优势。高空零压气球是常见的临近空间浮空平台之一。对其上升过程运动特性的研究有利于增加驻空时间、减少横向漂移距离。文章通过建立零压气球充气量模型和气球上升过程中的动力学模型,对气球上升过程中动力学模型进行仿真分析,结合高空飞行试验数据,验证了所建模型的准确性。在模型的基础上对比了不同浮升气体对气球上升速度以及驻空高度的影响;研究了浮升气体充气量对载荷总量的影响,并分析了气球在上升过程中的体积变化以及驻空高度与浮升气体质量的关系,最后讨论了影响气球上升特性的关键因素。可以得到零压气球上升过程运动特性与浮升气体种类、充入气体量、气球规格、载荷质量有关,假设气球可无限膨胀不发生爆炸,浮升气体密度越小,充入气体量越多,载荷质量越轻,气球的驻空高度就越高,达平衡所需时间越少;实际工程应用中,气球受材料限制不可无限膨胀,面密度小的气球,可能在上升到驻空高度前发生爆炸,要使气球携带一定质量载荷在某一高度范围驻空,其充气量不能过多,需与一些物理量满足一定关系。     

临近空间太阳电池组件热力学特性仿真分析

临近空间飞行器依靠搭载的柔性太阳电池组件和储能电池组构成的能源系统,可在临近空间长期飞行和驻留,完成地面观测、无线通信、军事侦察等任务,因而成为各国航天航空领域发展的热点之一。由于太阳电池组件能量转化效率只有20%左右,大部分太阳光能量吸收后转化为热。这部分热传导到高空气球内部,将造成内部气流紊乱,增加高空气球姿态控制难度,而温度升高引起的热应力甚至可能破坏柔性太阳电池组件。本文通过计算机模拟太阳组件在高空气球蒙皮上的工作条件,建立组件结构模型及热传递数学模型,仿真得到电池组件实际工作时的温度场和应力场分布情况,对高空气球供电组件的结构优化、工作状态的掌握具有指导意义。     

超压气球驻空过程热力学特性分析

超压气球具有结构简单、载荷量大、驻空时间长等突出优点,可以应用于侦察、通信、运输补给等各个方面,实现与空天地的衔接和中继。由于飞行原理和工作环境特殊,在其设计过程中必须重点考虑热力学特性的影响。文章详细分析了临近空间热环境,包括太阳辐射、长波辐射、对流换热等。在此基础上建立了超压气球三维瞬态热力学模型,编制了仿真程序,对超压气球驻空过程进行了研究;得到了蒙皮温度、氦气温度以及气球超压等随时间的变化规律,并分析了充气量、驻空季节纬度以及蒙皮物性对氦气温度的影响。结果表明:驻空过程气球蒙皮温度分布不均匀,随太阳方位变化而变化,最大温差达65K;考虑氦气中杂质的辐射吸收作用时,白天氦气的平均温度高于蒙皮的平均温度;氦气的"超热"会引起气球的超压,在不同季节和纬度飞行时应选择不同的充气量,将超压控制在合理范围内;为减小超压量,可以选择可见光吸收率小而红外发射率大的蒙皮材料。     

超高空系缆气球的空气动力特性试验研究

介绍自然形状和流线形状两种高空系缆气球的空气动力特性。着重探讨攻角和雷诺数对升力、阻力和俯爷力矩的影响。指出：合理、良好的气动外形（具备可靠的稳定性和最小阻力），对提高抗风能力、增加留空时间都有重要意义。     

高空科学气球应急安全控制及落点定位系统

高空科学气球是一种在临近空间飞行的无动力飞行器。当高空气球飞行状况出现异常,需要对其进行应急安全控制,使其可控地降落至地面。但目前中国国内相关单位进行的高空气球试验中,没有独立的应急安全控制手段。另外,由于飞行试验一般在地广人稀的区域进行,网络覆盖率低,无线电视距测控链路会因作用距离限制出现中断,高空科学气球载荷舱返回地面后的精确定位信息无法回传,致使回收人员无法进行快速搜寻。针对这些问题,文章采用STM32芯片、FreeRTOS操作系统作为软硬件架构,集成GPS定位功能和火工品引爆功能,并基于独立的铱星卫星通信链路,设计实现了高空气球全球范围内球体与载荷的可控分离和定位信息的回传,有效地提高了飞行任务的安全性和有效载荷回收的效率。     

长时高空气球的研制发展

综述了美国长时观察用的高空气球的发展,并详细介绍了目前正在研制的超长时气球(ULDB)。     

氦气渗透对高空长航时浮空器驻空能力影响

氦气渗透率是浮空器蒙皮材料的重要设计指标之一,直接影响浮空器的运行时间和成本,决定高空浮空器能否实现长航时工作。以正球型浮空器为例,根据蒙皮材料薄壳受力特点得出浮空器体积与压差关系,建立了运动学模型和基于微孔损伤的氦气渗透模型,针对不同设计高度的正球型浮空器,结合浮空器内部氦气全天温度变化情况,分析了蒙皮材料渗透率对浮空器驻留高度、驻留时间等关键性能的影响,总结了渗透率、设计高度以及热力学特性之间的关系。
     

空间可充气气球应用研究

简述了空间可充气结构的国外应用情况及可充气结构的导弹诱饵和气球卫星,介绍了可充气气球的设计特点,包括采用压力刚化铝箔的刚化结构、充气装置和释放装置,分析了太空环境中原子氧和紫外线辐射对可充气刚化气球的影响程度。     

加加林死因真相？

1961年4月12日，尤里加加林成为了世界上家喻户晓的人。但过了不到七年，他却不幸死于一次飞行事故。对于这次事故的原因，众说纷纭，“阴谋论”、“醉酒论”、“高空气球碰撞论”……，今年6月，美国航天网站（americaspace．com）刊载文章提出了不同观点，特进行编译整理，以飨读者。     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

临近空间伞张式飞艇气囊结构协同仿真研究

首先介绍了临近空间伞张式飞艇气囊结构的组成和工作原理,针对原有伞张式气囊伸缩机构存在的受力集中问题提出了改进设计方案,然后对改进设计的伞张式气囊伸缩机构进行了多柔体动力学仿真,得到连接盘处的位移时间函数,并对20km飞行高度的飞艇气囊结构进行有限元分析,得到气囊表面应力分布和气囊张力传递到气囊伸缩机构连接盘处的作用力,最后提出了一种多柔体动力学分析和有限元分析协同仿真方法,得到整个变形过程中气囊伸缩机构中受力最大连杆的载荷历程。通过与原有气囊伸缩机构中连杆的载荷历程进行对比,验证了改进设计方案的合理性。     

太阳同步卫星的轨道设计

在轨道六要素的基础上，分析了卫星太阳同步轨道设计时降(升)交点地方时、升交点赤经，以及冻结轨道参数等的确定方法。并给出了在轨道交点周期、回归圈数、回归周期、重复周期和其他因素等约束条件下的轨道设计要点。最后给出了一个轨道高度750～800km，卫星太阳同步轨道、冻结轨道和回归轨道的算例。     

红外地球敏感器的高截止度新型红外滤光片的设计

高截止度新型红外滤光片是三轴稳定卫星红外地球敏感器的关键件之一。文章介绍了用等效折射率概念设计这种滤光片的方法 ,讨论并给出了膜系设计和研制的结果 ,简介了镀膜的工艺技术 ,并与国内外同类滤光片的光学特性进行了比较 ,试验表明新型红外滤光片的膜系设计是成功的。     

Aerospike nozzle contour design and its performance validation

A simplified design and optimization method of aerospike nozzle contour and the results of tests and numerical simulation of aerospike nozzles are presented. The primary nozzle contour is approximated by two circular arcs and a parabola; the plug contour is approximated by a parabola and a third-order polynomial. The maximum total impulse from sea level to design altitude is adopted as objective to optimize the aerospike nozzle contour. Experimental studies were performed on a 6-cell tile-shaped aerospike nozzle, a 1-cell linear aerospike nozzle and a 3-cell aerospike nozzle with round-to-rectangle (RTR) primary nozzles designed by method proposed in present paper. Three aerospike nozzles achieved good altitude compensation capacities in the tests and still had better performance at off-design altitudes compared with that of the bell-shaped nozzle. In cold-flow tests, 6-cell tile-shaped aerospike nozzle and 1-cell linear aerospike nozzle obtained high thrust efficiency at design altitude. Employing gas H₂/gas O₂ (GH₂/GO₂) as propellants, hot-firing tests were carried out on a 3-cell aerospike nozzle engine with RTR primary nozzles. The performance was obtained under two nozzle pressure ratios (NPR) lower than design altitude. Efficiency reached 92.0–93.5% and 95.0–96.0%, respectively. Pressure distribution along plug ramp was measured and the effects of variation in the amount of base bleed on performance were also examined in the tests.     

日地Halo轨道的多约束转移轨道分层微分修正设计

针对日-地系统L1点（简称SEL1点）Halo轨道转移轨道设计中存在的多约束与初值敏感性问题,提出一种基于分层微分修正与初值多项式的设计方法。首先定义平动点转移轨道设计过程中存在的约束条件,然后根据不同的终端约束条件,重点给出了同时考虑轨道高度、轨道倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下的分层微分修正方法。通过分析约束变量与控制变量之间的关系,得到能够解决微分修正初值问题的初值表达式。最后在多约束条件下设计了从轨道高度为200km的地球停泊轨道到SEL1点Halo轨道的转移轨道。仿真结果表明,分层微分修正方法能够处理多约束问题,且初值表达式可以为微分修正提供良好的初始条件,从而保证算法收敛,方法具有较好的实用性。     

保护映射理论在火星无人机鲁棒自适应控制的应用

针对具有模型不确定性特点的火星无人机控制问题,本文基于保护映射理论提出一种飞行控制的鲁棒自适应调参数方法,通过建立控制系统未知参数与闭环系统极点间的约束关系,在飞行高度和速度变化的情况下,利用对系统极点的配置,保证火星无人机的稳定飞行要求。此外,设计过程中控制器结构固定,只需给定一个初始增益,即可实现系统的鲁棒自适应调参。仿真研究表明获取的增益能使控制作用满足火星无人机在高度和速度变化情况下的稳定飞行要求。     

低空大动压级间分离碰撞边界预示方法

以低空大动压级间分离过程为研究对象,基于组合优化策略,研究多种偏差耦合干扰下分离碰撞危险包络优化分析方法。确定分离过程仿真优化的具体流程,并建立低空大干扰条件下级间分离过程动力学模型和仿真模型,最后通过算例对比分析校验模型的合理性与仿真方法的有效性。研究结果表明,通过组合优化策略可快速有效实现对随机偏差耦合干扰下低空大动压分离过程的碰撞危险包络进行定量预示,并为分离系统偏差量控制提供依据。