某系留气球抗风性能仿真分析

系留气球以其显著特点已应用到许多领域,今后还会有大的发展。因所处环境的风力对飞行稳定性影响较大,故抗风能力成为系统重要指标。针对无法用实验手段进行验证的空中工作姿态,一般采取计算机仿真方法进行模拟研究。介绍了系留气球的设备组成,描述了空中飞行状态,通过建立动力学模型的数学方程式,施加1-consine型离散突风模型扰动,仿真了空中球体的俯仰角和滚转角随扰动时间的关系曲线,并对结果曲线进行分析研究,以期为同型系留气球的设计方法提供某种借鉴,为浮空器使用安全提供帮助。     

基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制

平流层风场环境对浮空器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,以长沙地区2005—2010年的风场数据为例,首先采用本征正交分解（POD）方法对风场数据进行降阶处理;然后分别采用Fourier级数与BP神经网络算法对平流层风场进行预测,并对2种模型的预测精度进行比较分析;最后通过建立临近空间浮空器的动力学模型和高度调控模型,分析2种风场预测模型对浮空器轨迹控制的影响。研究结果表明,相对于Fourier预测模型,基于BP神经网络预测模型的预测精度更高,可信度更强,能够更好地为浮空器飞行轨迹控制提供参考价值。      

基于副气囊的平流层浮空器高度控制

浮空器悬停或飞行控制设计时,通常将风作为干扰项或阻力,螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力,而浮空器携带的能源有限,因此浮空器设计时存在欠能源问题。根据平流层风场的特点,采用副气囊控制浮空器的高度,实现平流层不同高度的风场利用,可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型,采用反步法设计浮空器高度控制器,利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计,并进行了仿真分析,证明所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型,仿真分析表明, 浮空器高度变化后,其囊体最终内外压差与初始压差相同。      

系留气球时域响应分析

为研究系留气球稳定性,建立了系留气球的三维非线性动力学模型.缆绳采用有限差分法,球体采用经典的六自由度方程,其中气动力导数以静导数、动导数和附加质量表示.以主节点运动为边界条件,以静态构型为初始条件,建立完整耦合动力学方程.利用直接求解非线性偏微分方程的方法对该系统进行时域响应分析,考察了风速对纵向和横侧向稳定性的影响,并给出相应的响应曲线.直接求解非线性耦合方程的成功,表明该数学模型及其解法是可行的.      

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。     

气动舵机高压反向直动式减压阀的设计及特性

气动舵机在防空导弹的飞行姿态控制系统中是关键部件,直接影响导弹的飞行稳定性及姿态控制能力。弹载高压气体经过减压为气动舵机提供动力,可以减小气源系统所占的空间且尽可能多地携带气体以利于提高导弹射程。针对某型号导弹,设计了一种具有锥形阀瓣的高压反向非平衡直动式减压阀,建立了该类减压阀热力学及静力分析的数学模型,并在此基础上开发了其设计校核软件。建立了基于AMESim软件的稳态及非稳态进口压力下的仿真模型,对其压力、流量特性及阀芯位移特性进行了模拟分析。结果表明:该减压阀在设计参数下具有较好的压力及流量特性,且理论计算结果与仿真分析结果吻合较好。      

A general calculation method to specify center-of-buoyancy for the stratospheric airship with multiple gas cells

As the lighter-than-air (LTA) flight vehicle, the stratospheric airship is a desirable platform to provide communication and surveillance services. During the ascent from sea-level to the mission altitude, the volume of the lifting gas may change significantly, which will result in the change of the center-of-buoyancy (CB). A general calculation method is developed to specify CB for the stratospheric airship with a double-ellipsoid hull and an arbitrary number of the gas cells. The cross-section-integral (CSI) method is used as a basic calculation scenario to specify CB. Considering the complexity in determining the boundary between the helium and air in the gas cell, a searching algorithm is put forward and the specification of CB can be conducted by the iterative calculation. As an important application, the stable condition of the pitch angle is analyzed when the change of CB is involved. Under different initial configurations, the stable pitch angle of the stratospheric airship during the ascent is specified and compared, which shows the advantages of the multi-gas-cell configuration. The results of this paper may provide an important reference for the engineering application of the stratospheric airship.     

Balloon film strain measurement

In order to understand the state of stress in scientific balloons, a need exists for the measurement of film deformation in flight. The results of a flight test program are reported where material strain was measured for the first time during the inflation, launch, ascent and float of a typical natural shape, zero pressure scientific balloon.     

Effect of vapor condensation on ascending performance of stratospheric airship

This paper reports a numerical investigation on the effects of water vapor condensing inside the air bag of a stratospheric airship on its ascending performance. The kinetic and thermal model considering vapor condensation was established, based on which a computer program was written in Fortran. The simulation results show that the vapor condensation remarkably affects the kinetic and thermal characteristics of the stratospheric airship in the ascent process. During the ascent process below 11 km, a large amount of latent heat is released when the water vapor in the air inside the air bag of the stratospheric airship condenses, which results in the increase of the temperature and the reduction of the weight of the air in the air bag, causing the airship to speed up, the accelerated expansion of the helium, and the decrease of the helium temperature in the helium bag. When the flight altitude is higher than 11 km, the effect of vapor condensation on the kinetic and thermal characteristics of the stratospheric airship is negligible because vapor is virtually nonexistent in the air.     

综合热力学模型的平流层飞艇上升轨迹优化

针对平流层飞艇的上升轨迹优化问题,综合热力学模型进行了研究.主要分析了飞艇基本热力学行为,研究了蒙皮及内部气体的能量方程并建立了详细的飞艇动力学和运动学模型.在热力学、动力学和运动学分析的基础上,建立了以飞行时间为优化目标的平流层飞艇的轨迹优化模型.利用直接配点法将轨迹优化问题转化为非线性优化问题,再通过非线性求解器SNOPT(Sparse Nonlinear Optimizer)对不同场景的问题进行最优化轨迹求解.优化结果表明:热力学效应对优化轨迹有较大影响,在上升过程中,太阳能辐射为主要影响因素,另外风场也对换热量有一定影响.     

基于Kriging模型的浮空器氦气昼夜温差最优化

分析浮空器氦气昼夜温差时通常将整个囊体蒙皮涂层设置为同一种材料,分析材料的吸收率与发射率对氦气昼夜温差的影响。为进一步减小氦气昼夜温差,提出了将囊体分为迎光面和背光面,迎光面采用吸收率低的材料,背光面采用发射率高的材料。建立了囊体热力学模型,采用Kriging模型对囊体不同部位的材料特性进行优化,其基本思想是将囊体划分为48个部分,采用拉丁超立方体方法进行抽样,进行热力学分析得到样本的响应,以此建立Kriging近似模型。经过该方法优化后发现,氦气的昼夜温差减小到28.6 K,比传统的分析减少7.7%。      

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.      

月面无人自动采样返回飞行程序设计与实现

针对嫦娥五号飞行程序多舱段、多任务、系统控制复杂的设计特点和难点,采用传统的飞行程序设计方法工作量大,状态控制困难,很难满足任务要求。提出了一种新的基于状态转移的方法对飞行程序进行系统建模,首先将整个飞行过程分解成若干模块状态机;然后针对每个模块状态机的功能划分为状态触发器、评估器、执行器和确认器,并分别开展建模设计;最后通过状态触发器和确认器将各个功能模块进行连接,形成整个飞行程序的有限状态机描述。相比传统方法,该方法具有通用性、可扩展性和可复用性等特点,对于规范飞行程序设计,描述复杂的飞行任务过程有很大的优势。采用该方法对嫦娥五号飞行程序进行了建模和设计,并给出了典型飞行过程的设计结果。在轨飞行试验结果表明,该方法可以满足飞行任务的要求,确保了嫦娥五号在轨飞行控制任务圆满成功。     

拍合式电磁阀动态响应仿真分析与试验验证

根据电磁阀空载试验结果和电磁阀数学模型,对影响电磁阀响应时间的因素进行了分析.利用有限元方法和磁路分析法分别建立了拍合式电磁阀的仿真模型,用两种模型计算出不同弹簧刚度、弹簧预变形、衔铁质量、放电回路电阻、线圈匝数、非工作气隙下电磁阀的响应特性,以及这些参数对响应时间的影响程度.两种仿真计算结果和试验进行了对比,结果基本一致,根据结果分析了两种仿真方法的优缺点.总结出电磁阀在设计、生产时应重视的技术环节,对以后电磁阀设计工作具有指导意义.     

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态，为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响，本文建立了一种简单的平面哑铃模型，将系绳视作有阻尼的弹簧，两个卫星视作刚体，考虑重力梯度力矩。通过仿真，发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响

提出了一种根据气象条件、飞机特征、飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法.采用热力学平衡分析方法完成了积冰增长过程的数学描述,利用逐步线性回归方法建立了结冰飞机的气动模型,计算得到了结冰飞机的气动参数,计算结果与试验结果吻合较好,表明这种方法具有一定的工程实用性.并在此基础上研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响,通过数值仿真计算得出,结冰飞机气动特性的急剧恶化会导致其纵向操稳特性显著降低,严重时会危及其飞行安全.      

利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

基于几何方法的洲际航空编队飞行路径规划

针对洲际航空编队飞行路径规划,首先,基于编队飞行空气动力学的研究结论和球面度量特征,建立了编队飞行路径规划的基本模型;其次,基于编队路径的拓扑特征,将编队路径规划问题抽象为球面点集上基于测地线的加权Steiner最小树规划问题(WGSMT),建立了WGSMT的有限几何简化原则;针对避障编队路径规划,证明衔接点的引入仅改变紧邻的Steiner 点的拓扑特征,而不降低规划结果的准确性,以支持OAWGSMT编队路径规划.最后,构造一种基于“构造-修复”思想的编队路径规划方法,通过实际算例验证了算法的有效性.研究形成洲际航空编队路径规划的几何基础,使问题复杂度依赖于航班集规模而非球面离散化网格规模.      

"神舟七号"飞船热控分系统设计和在轨性能评估

针对出舱活动飞船热控设计难点,简要介绍了其热控方案,并对热控分系统在轨飞行数据进行了深入分析,综合评估其在轨工作性能.飞行试验表明,飞船在待发及上升段、自主运行段、出舱活动段、返回再入段,热控分系统均具有良好的温度调控能力和适应能力,整船仪器设备温度及密封舱空气温湿度均满足指标要求.