关于平流层通信平台的空气动力学

本文综述平流层平台空气动力学的研究现状及面临的若干新问题,介绍作者近年来在平流层平台空气动力学方面的研究工作.     

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.      

平流层飞艇飞行控制研究综述

综述了平流层飞艇控制研究的最新成果和发展动态,系统分析了反馈线性化控制、变结构控制、自适应控制、智能控制等方法的特点及其在飞艇控制系统设计中的研究应用现状。在总结已有研究成果的基础上,针对平流层飞艇的环境特性和应用特点,提出了需进一步研究的重难点问题,包括多物理场耦合与协调控制、上升段航迹优化与控制、异类执行机构复合控制等,并对今后的发展趋势进行了展望。     

防空作战中的空间信息支援

在阐述防空作战对空间信息支援需求的基础上,分析了卫星的预警任务和平流层飞行器提供的电子战环境下的敌方进攻目标编队图形,以及对自卫式干扰的实时告警功能和其他支援作用.对完成上述任务的平台进行了简单的说明,并大致分析了对这些平台所需要的感知系统的基本要求.     

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计,发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围,应采用变桨距技术,需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配,可实现人工变桨距,在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构,基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm）,完成了支座固支的桨叶铺层参数优化,得到桨叶质量和频率的Pareto解集,在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案,并与实物测试值对比,结果表明：桨叶质量相对误差2.09%;支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%;桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%,避开了工作转速共振区间,证明该结构优化方法是合理有效的。     

一次暴雨激发平流层重力波的卫星观测与数值模拟

针对卫星Aqua/AIRS观测到的与2011年7月25日山东省乳山市特大暴雨相伴的一次平流层重力波过程,利用中尺度数值模式WRF进行暴雨诱发平流层重力波的数值模拟.对模式输出的垂直速度场和温度扰动场的分析表明,暴雨在平流层内的弧状波结构主要集中在降水云系东侧,水平影响范围大于1000km,且随着高度的增加,圆弧状结构趋于闭合,波动能量显著增强.此外,对垂直速度剖面结构分析表明,受高空东风和风切变的影响,重力波在上传过程中逆着背景风场向东传输,不同高度波动形态各异.基于快速傅里叶变换（FFT）的功率谱分析结果表明,此次暴雨激发的平流层重力波在35km高度的周期为7~20h,水平波长约为1000km,垂直波长为5~10km.通过分析动量通量的垂直输送,定量反映出重力波上传过程中的动力学变化特征.     

安第斯山上空平流层山地波统计特征的AIRS观测研究

利用AIRS红外探测仪在2013—2018年的辐射测量数据,对安第斯山20km,27km,35km及41km高度的山地波进行个例研究和统计分析.观测结果表明安第斯山上空山地波主要发生在5—10月,月平均水平波长、垂直波长及动量通量均没有明显的年际变化.水平波长在5月和10月相比6—9月较小,垂直波长和动量通量5—7月逐渐升高,达到峰值后在8—10月逐渐下降.在20～41km范围内,水平波长从43.5～53.9km缓慢升高至89.3～176.8km,垂直波长从7.4～14.7km上升至7.4～29.7km,动量通量由376.0～801.3mPa显著下降至10.4～239.3mPa.总体而言,山地波在向上传播的过程中,水平波长缓慢增加,在逆风传播的情况下,受到背景风场影响垂直波长随高度升高而增大.动量通量随高度升高显著下降,说明安第斯山山地波向上传播的同时伴有强烈耗散,耗散的能量将储存在背景大气中,对高平流层甚至中间层产生重要影响.     

武汉上空对流层与平流层大气密度和温度探测的初步结果

利用武汉大学Rayleieh/钠荧光散射激光雷达和无线电探空仪进行联合探测的数据,反演出武汉地区上空(30.5°N,114.4°W)0—65km处的密度和温度分布曲线,并简单阐述了激光雷达的工作原理。将测量结果和MSISE-90参考大气模式比较,二者结果基本符合,温度廓线在中层顶附近和模式的差别约为3K。同时利用激光雷达探测到了中层大气中的重力波活动。     

低平流层温度对银河系宇宙线强度变化的响应

选用芬兰中子堆监测站从lop年7月至1989年3月的宇宙线强度月平均曲线数据,和在相对应期间我国境内海拉尔等4个高空气象观测站的30hPa和100hPa等位势高度上常规气温观测月平均资料,经统计分析,取得初步结果：低平流层气温与银河系宇宙线辐射强度之间呈现负相关的特性;与银河系宇宙线辐射强度峰区和谷区相对应会在低平流层中引起幅值为2-3℃的温度变化;不同纬度观测站所得观测数据表明,上述增温幅值随纬度降低而减少。     

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型，提出一种基于深度Q网络（DQN）算法的平流层浮空器高度控制方法，以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态，副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作，平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程，兼顾随机风场扰动与速度变化约束，实现稳定的变高度控制。仿真结果表明：考虑风场环境对浮空器影响下，DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制，最大稳态误差约为10 m，与传统比例积分微分（PID）控制器对比，其控制效果和鲁棒性更优。