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。     

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.     

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。     

基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计

为了在平流层飞艇推进系统高效率和轻质量需求的矛盾之中取得平衡,提出基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法。利用试验设计和代理模型技术分别建立了高空电动机、螺旋桨的主要设计参数与其效率和质量的代理模型。建立了包含太阳能电池和储能电池的飞艇能源系统质量计算模型。以整系统能量平衡和推阻平衡为约束,以推进与能源系统总质量最小为目标,借助多岛遗传算法构建了飞艇推进系统优化设计数学模型。对某型平流层飞艇推进系统进行了优化设计,结果表明:优化后的推进系统效率提升了23%,推进与能源系统总质量降低了340 kg,验证了该平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法的可行性和应用价值。     

“Google Loon”高空超压气球网络技术综述

Google公司推出的"Google Loon"气球网络项目,用漂浮的高空气球作为通讯中继实现地面互联网的覆盖。重点介绍了基于高空超压气球的气球网络原理、Loon超压气球组成结构及各组成部分的作用及性能,分析了"Google Loon"高空超压气球的轨迹控制、高度调节、充气及发射等关键技术。最后,对Loon项目的试验历程和商业推广情况进行了回顾,并对未来工作计划进行了展望。     

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。     

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。     

基于CFD浮空器阀门流量的研究

高空浮空器阀门是浮空器内部压力控制和高度调节的重要部件。以浮空器的空气放气阀门为研究对象，基于实物建立几何模型，利用计算流体动力学(CFD)软件通过数值模拟求得所建几何模型气体流量与浮空器阀门各个参数之间的定量关系。通过引入统计量参量求得气体流量的流量参数，在此基础上得到较为准确的阀门选型估算方法。     

基于响应面近似技术的平流层飞艇协同设计优化

针对平流层飞艇多学科设计优化问题,引入协同优化算法,分析基于响应面近似模型的协同优化方法CO/RSA的执行步骤和特点,并介绍响应面近似模型的构建方法;建立平流层飞艇各学科模型,并对学科间耦合关系进行分析;运用建立的气动/推进、结构、能源三个耦合子系统的学科分析模型和系统优化模型,以平流层飞艇总质量最小为优化目标,综合考虑浮重、推阻和能源平衡,采用CO/RSA方法对平流层飞艇进行设计优化.结果表明:所建立的平流层飞艇的MDO模型是合理的,CO/RSA算法应用于飞艇总体设计优化是有效的,研究结果可为平流层飞艇方案论证和方案设计提供参考.     

面向Agent的CGF智能行为建模技术研究

在分析了军事作战等复杂系统仿真中行为建模的作用和特点的基础上,提出了一种基于智能体(Agent)的建模与仿真方法。综合论述了在计算机生成兵力(CGF)中基于Agent的智能行为建模技术,并阐述了基于多Agent技术的作战仿真系统的研究方向。     

多源自主导航系统可信性研究

多源自主导航系统技术是新一代国家综合定位、导航与授时(Positioning, Navigation and Timing, PNT)体系下终端用户导航系统的技术发展方向。聚焦于导航信息智能决策的可信性,分析了可信性理论构建存在的科学技术问题,基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征等,提出了多源自主导航系统中的载体动力学智能建模与计算、融合载体动力学特征的导航方式无感切换与智能决策、可信性自主判别与动态迭代优化的解决方案,为多源自主导航系统技术体系构建打下基础。     

复合热条件下椭球形封闭腔内低压气体的自然对流

以填充氦气的平流层浮空器为应用背景,对非均匀复杂热边界条件下大尺寸椭球形封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性进行了数值模拟。以Fluent软件为基础,采用用户自定义函数(UDF)自编程技术引入外部非均匀的对流-辐射耦合热边界条件,考虑了低压气体密度对压力、温度的依赖关系。分析了不同条件下腔壁与内部气体温度、对流换热特性以及流场、压力、质心变化等动力学特性,通过数据分析,获得了腔内自然对流的局部对流换热系数关联式。研究结果表明,在平流层环境下,外部非均匀热边界条件及其变化对封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性影响很大。     

飞行实时仿真中的微下击暴流建模研究

在飞行模拟器研制过程中,为使飞行仿真系统能够高逼真度的模拟大气扰动对飞行的影响,需要建立各种风场模型。本文分析了微下击暴流的特征和用于飞行实时仿真中的建模需求。针对真实微下击暴流风场的特点,设计了不同强度及位置的微下击暴流,从而逼真地模拟复杂的微下击暴流风场。基于飞机与微下击暴流的相对位置关系插值计算微下击暴流产生的风场模型,使用该建模方法可重配置,能应用于变化风场中的飞行实时仿真,有助于提高模拟飞行训练效果。     

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。     

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。     

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。     

基于自主软件LSWS的典型地形大气CFD模式研究与应用

基于我国典型地形风资源评估、风电场微观选址及风电预测等的发展要求，根据风场实测数据，提出了两种风廓线模型：一种是利用实测数据修正的Gryning风廓线模型，另一种是结合分段函数及理论公式拟合的风廓线模型。考虑大气热效应、地转效应等大气效应，结合改进的雷诺时均k-ε两方程湍流模型，建立了能够模拟不同大气稳定度的典型地形大气CFD模式，开发了自主可控的风场CFD模拟软件LSWS(large scale wind simulation)。以锡林浩特平坦草原地形和山西丘陵地形的风场为例，比较了自主软件LSWS和商业软件Fluent的模拟精度。模拟结果显示：对于锡林浩特平坦草原地形风场，两个软件模拟结果与实测数据总体吻合良好；在稳定大气状态下，LSWS的计算精度较Fluent最大提升6.33%；在模拟山西丘陵地形时，LSWS的计算精度明显高于Fluent，特别是绕山脊的山后流场模拟更加合理，LSWS计算精度较Fluent最多提升40%以上。