平流层飞艇定点保持模式控制方法研究

平流层飞艇作为执行高空长航时任务的平台近年来引起了全球范围的关注。平流层飞艇运行的技术难题之一就是其在定点保持模式下的自主定位和定姿问题。本文率先建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论针对平流层飞艇定点保持模式的非线性系统设计了一种非线性控制律,并证明了所得到的闭环系统是全局渐近稳定的。通过数学仿真验证了该控制方法对非线性系统控制的有效性。     

飞艇载荷舱电子设备散热研究

在分析平流层飞艇载荷舱传热特性和高空环境特性的基础上,提出了采用基于开放式二氧化碳制冷和冷板相结合的平流层飞艇载荷舱电子设备冷却方案。所提出的方案能避免单纯采用冷板散热所面临的制冷量不足的问题。同时,通过建立理论计算模型并结合VC++编程软件,获得了飞艇上升过程中所需要携带的二氧化碳的量的理论值,并分析了气瓶内二氧化碳的状态变化及造成制冷量损失的因素。结果表明:通过计算所得的理论量能够满足飞艇上升过程的制冷要求,且在低储存温度、大管径、低背压的情况下制冷量损失较小。该研究结果为平流层飞艇载荷舱电子设备的冷却提供技术参考。     

太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析

研究太阳电池对平流层飞艇驻空阶段热特性的影响。建立了太阳电池热模型、平流层飞艇热分析模型,包括热平衡方程、太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、蒙皮长波辐射、对流换热等;采用多节点模型,对平流层飞艇在驻空期间太阳电池、蒙皮与艇内氦气温度变化过程进行了数值模拟,得到了温度昼夜变化规律;分析了太阳电池（含隔热结构）的等效面积热阻、转换效率、铺装面积对平流层飞艇热特性的影响,得到了其温度昼夜变化规律。本文为平流层飞艇热性能分析和热控系统设计提供依据。     

带辅助安定面平流层飞艇的航向静稳定性分析

为增强平流层飞艇航向静稳定性,在不显著增加飞艇重量前提下,提出一种带辅助安定面的飞艇气动布局。建立飞艇计算模型,数值模拟飞艇在不同侧滑角、俯仰角下航向静稳定性及气动阻力特性,并与未集成辅助安定面的飞艇进行对比,最后分析辅助安定面面积对航向静稳定性的影响。结果表明：带辅助安定面的飞艇气动布局具有较好的航向静稳定性。相同条件下,随着侧滑角增大能够更快地达到航向稳定;在30°侧滑角,辅助安定面与尾翼面积比值大于0.05时,偏航力矩系数由无辅助安定时-0.8增加为正;辅助安定面面积越大,偏航恢复力矩越大,航向静稳定性越好。     

平流层飞艇升降阶段BPNN惯性导航算法

软式平流层飞艇艇体在上升和下降时经常呈堆叠状态,GPS信号会被艇体间歇性遮挡,因而只能采用惯性导航。为保证在飞艇上升和下降过程中,INS/GPS组合导航系统在被艇体遮挡GPS时仍能够提供满足精度要求的导航信息,设计了一种改进的反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN）惯性导航算法。采用神经网络,根据惯性导航系统在1s内的速度均值和姿态变化量,预估其在1s末的位置误差和速度误差,并对惯性导航结果进行修正。仿真实验和跑车试验结果表明,在GPS失效的30s内,新算法使得位置误差低于15m,速度误差低于0.7m/s,误差相比纯惯性导航降低了85%。     

高空驻留太阳能飞机主动式光伏组件面功率特性研究

 光伏组件面功率特性是影响太阳能飞机性能指标的关键因素之一。首先建立了考虑光伏组件表面温度、太阳能飞机飞行高度、纬度及一年四季等因素的光伏组件面功率模型,分析了光伏组件在一年范围内的日均直射、日均水平面功率随飞行高度、纬度和季节等关键设计指标参数的变化规律,对比研究了3种跟踪采能方式下的主动式光伏组件(TPM)的逐时、日均面功率特性。结果表明:在一天的光照时间内和全年范围内,主动式光伏组件能显著提高光伏组件的面功率特性。然后,参考了典型的太阳能飞机"Helios"和"Zephyr",综合考虑能源与气动特性,初步设计了一种采用主动式光伏组件的高空驻留太阳能飞机布局方案,通过分析其日均净面功率特性得出:合理设计主动式光伏组件,可以显著提高太阳能飞机的日均净面功率约32%~66%,甚至可达116%。这些结论均说明,从采能效率和气动特性两方面综合来说,所提出的基于主动式光伏组件的布局设计思想在高空驻留太阳能飞机总体布局设计时具有良好的应用优势。     

考虑风场条件的一类平流层飞艇返回过程建模与航迹规划研究

对一类气囊内外压差恒定的平流层软式飞艇,在考虑大气密度、温度变化以及大气风场的基础上,建立了飞艇三维空间运动的动力学模型;并针对能量消耗最少和航行时间最短两个指标函数,利用高斯伪谱法设计了飞艇从平流层返回地面的航迹,并对飞艇飞行高度、速度以及推力等状态变化进行分析研究.     

飞艇运动建模与仿真验证

在研究临近空间浮空器的过程中,设计了一种低空实验飞艇.为了评价该飞艇的稳定性和操纵性,建立了飞艇的六自由度运动方程数学模型,使用Matlab/Simulink软件完成了飞艇飞行仿真软件设计.另外采用Flightgear作为飞行仿真视景软件,设计飞行仿真软件驱动视景软件的网络接口程序.利用飞行仿真软件,进行了该低空飞艇运动的仿真验证.仿真结果表明,软件达到了预定的设计目标,该实验飞艇方案可行,安定面和推进动力配置基本合理.     

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。     

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.