临近空间变体飞艇技术研究

介绍临近空间飞艇国外发展现状,分析变体飞艇系统重量轻、飞行升限高、环境适应性和持续驻空能力强的独特优势,论述临近空间飞艇的高效变体模式,阐述临近空间变体飞艇的关键技术,如飞艇变体控制技术、飞艇飞行控制技术,为临近空间飞艇后续研究提供参考。     

Trajectory tracking control for underactuated stratospheric airship

Stratospheric airship is a new kind of aerospace system which has attracted worldwide developing interests for its broad application prospects. Based on the trajectory linearization control (TLC) theory, a novel trajectory tracking control method for an underactuated stratospheric airship is presented in this paper. Firstly, the TLC theory is described sketchily, and the dynamic model of the stratospheric airship is introduced with kinematics and dynamics equations. Then, the trajectory tracking control strategy is deduced in detail. The designed control system possesses a cascaded structure which consists of desired attitude calculation, position control loop and attitude control loop. Two sub-loops are designed for the position and attitude control loops, respectively, including the kinematics control loop and dynamics control loop. Stability analysis shows that the controlled closed-loop system is exponentially stable. Finally, simulation results for the stratospheric airship to track typical trajectories are illustrated to verify effectiveness of the proposed approach.     

临近空间飞艇艇库外约束及稳定性分析

临近空间飞艇在发放前通常停放在艇库内,一旦离开艇库就不可避免地受到艇库外天气,尤其地面风的影响,不仅影响飞艇发放操作的快捷和安全,而且还事关飞行试验的成败。文章建立了大型飞艇在地面受两侧约束时的力学模型,采用动力学方法,分析了受到地面风作用时飞艇的姿态和约束拉力的变化,得到地面风起时和风速稳定后的解析解,评估了飞艇受到地面风作用时的稳定性和安全性。通过分析得到在两侧约束条件下飞艇对正向风和侧风的承受极限,为临近空间飞艇采用两侧约束方式的可行性提供了判据,也为今后发展临近空间飞艇发放技术提供借鉴。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

临近空间浮升一体化飞行器气动布局研究

以数值模拟为手段,对临近空间飞行器典型的气动布局进行了大量的计算和评估分析,对不同的气动外形进行了多方面的对比研究.结果表明,在不同的速度范围内,各气动布局外形具有不同的气动和浮升特性,不同飞行速度的飞行器在选择气动布局形式方面存在很大差别,为浮升一体飞行器的选型设计提供了一种指导.     

低压储能的升浮一体飞行器总体参数研究

升浮一体飞行器是一种综合了太阳能无人机和平流层飞艇特点的新型临近空间飞行器,是航空航天领域研究的热点,可再生燃料电池是升浮一体飞行器最有发展前景的储能装置。针对现有燃料电池中氢气和氧气存储方式的缺陷,充分利用升浮一体飞行器巨大的机身体积,提出了采用低压气囊储气的燃料电池方案,建立了升浮一体飞行器总体参数计算模型,提出常规燃料电池和气囊储气燃料电池的理论计算方法。研究了不同储气方式对升浮一体飞行器的能源系统以及飞行器总体参数的影响。研究表明,采用低压储气方法后,氢气的质量储气密度可提高至13.0%,燃料电池存储能量为1 489.7 kWh条件下,能量密度可达到1 000 Wh/kg以上,对减小升浮一体飞行器总重和外形尺寸、提高飞行器载荷能力有显著作用。     

"人在回路"无人飞艇半实物仿真系统设计与实现

为开展某型无人飞艇系统的地面集成及飞行仿真试验,基于VxWorks实时操作系统、Matlab/Simulink和RTW(Real Time Workshop)快速原型建模仿真软件、FUTABA数据采集系统和三维视景系统,开发了具有高精度、高实时性的半实物仿真平台以及仿真软件.该系统的最大创新点是加入了FUTABA遥控设备以及PWM(Pulse Width Modulation)/RS-422的信号转换模块,从而将飞行员的视觉感受及操纵输出接入到仿真回路中,实现了在全遥控、半自主和自主3种模式下的"人在回路"仿真.仿真试验结果表明:"人在回路"的飞行仿真试验可验证控制律的3种模式切换功能以及姿态、航迹控制效果,提高了飞行员对该型飞行器的操纵熟练程度,可以实现在应急情况下直接控制无人飞艇平稳着陆.      

浮升混合飞艇气动性能及总体参数分析

为了兼顾飞艇的气动性能和浮升特性,充分发挥二者的优势,并增强可控性,提出了一种基于NACA高升力翼型的组合嚢体式混合飞艇气动布局.采用计算流体力学(CFD)方法建立混合飞艇FLUENT计算模型,数值模拟了它在不同速度和迎角下的升阻特性、纵向静稳定性及浮升特性,并进行了总体性能评估,最后将其与常规飞艇进行了对比.结果表明:该组合嚢体飞艇布局具有较好的气动性能和效率,相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍;当飞行速度大于26 m/s时,混合飞艇总升力效率开始大于常规飞艇,能够提供更好的浮升特性.此外,相同设计载荷下混合飞艇的外形尺寸更小,有利于增加有效载荷,可为低空大型混合飞艇的研发提供参考.      

弹性变形对柔性飞艇气动特性的影响

设计加工具有相同几何外形的刚性飞艇模型和可变内压的柔性飞艇模型,并进行了低速风洞实验。研究了内压变化对柔性模型阻力和俯仰力矩特性的影响,比较了柔性模型和刚性模型气动特性的差异。实验结果表明,随着内压的增加柔性模型的阻力呈下降趋势;对于具有相同几何外形的柔性和刚性模型,柔性模型的阻力明显大于刚性模型;刚性模型的尾翼对俯仰力矩的影响较大。     

平流层飞艇流固耦合分析方法研究

平流层飞艇为了在平流层环境下获得足够的浮力,要求其体积庞大,由于跨度较大的充气柔性气囊结构容易发生变形,使得流固耦合特性非常显著。针对该类飞行器的流固耦合方法的研究是对其流固耦合特性分析的首要条件。本文基于流体动力学计算软件FLUENT和结构动力学分析软件ABAQUS,形成了分析平流层飞艇这类大型柔性充气结构流固耦合特性的非线性动态流体－结构交错积分耦合法。通过充气的圆球薄膜的解析解和NACA65A006机翼颤振特性的实验结果与计算结果的比较对该方法的有效性进行了分析。这为平流层飞艇流固耦合问题的研究提供了一种有效的分析工具,并对某平流层飞艇的突风干扰响应特性进行了分析,得出其流固耦合特性的变化规律。