Near space airship conceptual design and optimization

Near space airships have gained widespread attention owing to the unique characteristics of long endurance at high altitudes;because of this characteristic,such airships have great potential for use in the fields of communication relay,early warning,earth observation etc.Near space airships can substitute near-earth geostationary satellites owing to the advantages of high load and long endurance at altitude exceeding 20 km.Buoyancy against gravity is generated by the airship hull,which is completely filled with helium,while the near space airship is equipped with an electrical propulsion system powered by solar energy.Unlike conventional aircraft,nearspace airships are a new type of vehicles with less design experience;coupled multi-disciplinary problems related to aerodynamics,structure,energy,control,etc.exist.With the aim of finding a solution for opti-mal near-space airship design,this study proposed a design using a multidisciplinary design optimization method.

临近空间飞艇保形升空过程热运动特性研究

为了掌握双气囊临近空间飞艇升空过程中因保形需要而导致的复杂的热运动特性,文章建立了飞艇升空过程中的热平衡模型与运动模型,对某双气囊飞艇的保形升空过程进行仿真研究,获得了临近空间飞艇升空过程中轨迹与温度的变化规律。结果表明:临近空间飞艇保形升空时,升空速度呈现先降低后升高的变化趋势;受升空过程中氦气囊膨胀对外做功的影响,内部气体“过冷”现象明显,“过冷”最高可达20K;当飞艇升至驻空高度附近时,内部气体温度快速上升;受净浮力影响,飞艇的升空时间与充气质量呈反比;受夏至日太阳辐射投影面积的影响,飞艇升空过程中俯仰角越大,虽然阻力系数减小,但辐射得热降低,造成整体升空时间增加;气囊超压设置越大,飞艇升空时间越长。研究成果对临近空间飞艇的升空与运行控制具有一定的指导作用。

临近空间飞艇蒙皮三维形变多芯光纤重构技术

为解决临近空间飞艇气囊形态实时监测问题,提出了基于温度自解耦多芯光纤传感器的气囊蒙皮三维形变重构方法。根据飞艇气囊三维形态特征,设计了多芯光纤传感器布局和布设方式。将多芯光纤传感结构与Frenet-Serret方程相结合,建立了具备温度自解耦功能的蒙皮三维形变重构算法。以飞艇气囊柔性复合蒙皮为试验对象,设计并集成建立了蒙皮三维形变多芯光纤重构试验系统。试验分析了温度变化环境下多芯光纤传感器三维形变重构精度以及不同弯曲度下蒙皮三维形变型面重构精度,验证了所提方法的有效性。研究结果表明:利用多芯光纤传感器和温度自解耦方法能够在大变温环境下准确重构气囊蒙皮形变,蒙皮三维型面重构误差平均值小于1.5%,所提方法在临近空间飞艇气囊形态实时监测领域具有应用前景。

临近空间飞艇能源昼夜闭环仿真验证系统研究

能源系统是临近空间飞艇的重要组成部分,为飞艇提供电能。飞艇放飞前需要在地面进行测试和验证,以确保飞艇能够长期稳定地飞行。通过一种临近空间飞艇能源昼夜闭环仿真验证系统的设计和研究,对实际的飞艇能源系统进行仿真模拟,并通过半实物验证系统进行验证,既可避免大面积对太阳电池阵进行铺装,也能对真实的能源系统进行评估和验证,并且负载随意可调,可验证各种工况,为临近空间飞艇的长航时飞行奠定基础。

临近空间对地观测平台的矢量化建模及稳定性分析

研究了临近空间对地观测平台的矢量化建模和稳定性问题。定义了描述观测平台空间运动的坐标系及运动参数;在受力分析的基础上,根据Newton-Euler方程建立了矢量形式的六自由度非线性数学模型;基于此模型,应用Lyapunov稳定性理论对观测平台的稳定性进行了分析。研究结果表明:对于给定的未扰运动,观测平台是渐近稳定的;纵向和横侧向的自由扰动运动均由两个非周期衰减模态和一个振荡衰减模态叠加而成;观测平台受到瞬时扰动后,快衰减运动模态主要同转动运动有关,反映了受扰后力矩的平衡过程,而慢衰减运动模态主要同线速度运动有关,反映了受扰后力的平衡过程。

国外近空间飞艇的现状和发展

近空间飞艇具有重要的军事应用价值,可用于战区侦查、预警、通信以及全球快速打击等。介绍美国、欧洲、俄罗斯、日本、韩国、以色列等国家近空间飞艇的应用和技术现状。总结近空间飞艇发展中面临的主要问题:定位与位置保持问题、控制问题、持续飞行的电源问题和近空间的热问题。并提出需突破的关键技术:飞行控制技术、高效轻质柔性太阳能薄膜电池技术、高比能量再生燃料电池技术及材料技术。

基于遗传算法的临近空间飞艇多学科优化设计

临近空间飞艇设计中,确定系统总体参数、给出优化的艇体外形十分关键,针对传统设计方法,为改进其中串行设计的不足,提出了并行多学科优化设计方法;并基于遗传算法开展了飞艇外形优化设计方法研究,结合气动、结构、强度进行了一体化优化。仿真结果表明利用遗传算法开展飞艇多学科优化是可行的,另外在进行设计时,不能仅将减阻作为研究重点,还应全面考虑结构重量、强度等其它因素。

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。

临近空间飞艇蒙皮用材料撕裂行为的数字散斑法研究

针对Vectran纤维增强型临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压织物复合材料,利用非接触式数字散斑相关试验方法,测定了预制初始裂纹长度为15 mm的中心切口试样撕裂行为的位移场和应变场分布,定量测量了撕裂试样不同撕裂载荷工况下的全场变形值和平面应力撕裂断裂韧性值,对中心切口裂纹的撕裂强度进行了分析。试验结果表明:该方法可以用来测量临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压复合织物大范围变形的撕裂裂纹尖端及附近区域的变形场,通过变形场云图可以获得撕裂裂纹扩展过程中的变形特征,并可直观的研究撕裂裂纹尖端复杂变形场的形态,为临近空间飞艇蒙皮材料的撕裂损伤行为研究提供新的试验途径。

基于临近空间飞艇定位的伪卫星布局研究

为满足卫星导航系统由于某种原因暂时不能使用时的导航定位需求,提出了2种基于临近空间飞艇定位的伪卫星方案,重点研究飞艇独立组网定位方案。对飞艇的覆盖区和定位可用区进行了计算,得到在考虑仰角作用下飞艇的实际定位可用区域。通过仿真计算对伪卫星布局与几何精度因子之间的关系进行了分析,得到了伪卫星布局的基本原则,为实际应用提供了定量依据,并给出了伪卫星布局的最佳方案。

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。

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果.结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.

临近空间驻留飞艇模糊变结构姿态控制方法

针对临近空间驻留飞艇姿态运动的非线性、耦合和不确定等特点,提出了一种模糊变结构解耦控制方法。首先,推导了定点模式下飞艇的姿态运动方程,通过选取状态向量和控制向量,将其描述为非线性系统。然后,采用反馈线性化方法将非线性姿态控制系统输入输出解耦为三个通道的线性子系统;利用滑模变结构控制对参数摄动的不变性设计了定点姿态控制系统,并应用Lyapunov理论证明了系统的全局稳定性;为提高控制性能,以变结构控制的滑模面及其变化率为模糊控制器的输入,以趋近律参数为模糊控制器的输出设计了模糊变结构控制器,通过模糊规则在线调整控制律参数。最后,对具有参数不确定的姿态控制系统进行了数值仿真,验证了控制方法的有效性和鲁棒性。

平流层飞艇总体设计的基础问题

平流层飞艇是一种新型的长航时临近空间飞行器,具有驻空高度高、驻空时间长、承载能力大、使用效费比高等特点,在对地观测及通信中继等领域具有广泛应用前景。但是该飞行器系统十分复杂,技术与设计实现难度大,总体设计需要考虑的基础问题及解决方案尚不完全明晰。根据平流层大气风场、温度和压力的基础特征,考虑平流层环境对平流层飞艇总体设计的影响,根据空气动力学与热力学基本理论,分析平流层飞艇的显著特征及与常规低空飞艇的区别,研究这些基础问题对平流层飞艇总体设计的影响,为平流层飞艇技术发展提供建议和参考。

临近空间伪卫星定位精度仿真分析

基于临近空间的伪卫星具有非常显著的定位优势,提出了基于临近空间飞艇定位的伪卫星方案。通过理论分析,设计了基于4颗伪卫星的最佳布局方案;通过仿真计算得到了伪卫星覆盖区域内各点的几何精度因子;通过对伪卫星的星历误差、星钟误差和对流层延迟误差等主要误差源的分析,计算得到了基于飞艇伪卫星的定位测距误差,并给出了伪卫星覆盖区域内用户的定位误差。仿真结果表明,基于临近空间的伪卫星具有较好的定位精度,可以满足区域导航定位的精度要求。

平流层飞艇太阳电池阵发电功率计算及分析

针对圆柱曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了计算其发电功率的解析表达式;针对任意曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了一种准确方便的数值计算方法。针对飞艇通常采用的旋转对称组合椭球外形,提出了一种近似解析计算方法,将该解析计算方法和数值计算方法的计算结果进行比较后发现,近似解析方法日发电量计算结果精度可达0.1%,可以替代精确数值方法用于飞艇太阳能系统的设计和分析。最后,对平流层飞艇太阳能电池阵发电功率特性进行了详细分析,得到了平流层飞艇运行的季节、纬度、姿态、电池阵形状和安装位置等因素对其发电功率特性的影响规律。结果表明,以上因素与太阳电池阵面积和光电转化效率一样会对飞艇太阳电池发电功率造成重大影响。

临近空间环境对飞艇蒙皮织物材料力学性能的影响研究

目的研究飞艇蒙皮材料在临近空间环境下的力学特性。方法根据临近空间环境的特征参数,制定空间环境地面模拟实验方案,包括高低温、紫外环境和臭氧环境下地面模拟实验方案。然后以聚氨酯涂覆Nylon织物为例,研究临近空间环境对飞艇蒙皮材料力学特性的影响,并通过红外红外光谱和原子力显微镜研究其影响机理。结果与未经高低温循环相比,弹性模量增加了11%,拉伸强度的最大变化不超过5%;经过48~240h紫外线辐照后,弹性模量提高了22%~34%,拉伸强度几乎没有变化;通过臭氧老化后,材料弹性模量的增加幅值约为6%,拉伸强度逐渐降低。结论紫外辐射对于聚氨酯涂覆Nylon织物材料弹性模量的提升效应大于高低温和臭氧老化,但对其强度的影响明显小于高低温和臭氧老化,臭氧老化对材料强度影响大于高低温和紫外辐射。

临近空间浮空器总体参数的优化设计研究

临近空间飞行器是目前新概念飞行器发展的一个热点,本文研究了临近空间浮空器设计过程中对其在总体参数进行几何尺度控制的相关问题。在一定的基本假设和约束条件下,给出了一套参数估算常规飞艇形式临近空间浮空器的总体几何尺度的计算流程。利用这一流程进行计算,得到了几项单项技术指标对于该种类型浮空器总体尺度的影响规律,讨论了控制缩减总体尺度可以优先发展的技术领域。最后分析了载重量对于浮空器尺度的影响情况。

平流层飞艇空间控制作战样式分析

临近空间是未来作战的制高点之一,在分析了临近空间作战特点的基础上,建立了平流层飞艇编队作战模型,通过研究飞艇的信息对抗能力、防御能力及武器性能,表明激光武器比导弹更适合于平流层飞艇的临近空间作战,干扰通信系统比干扰侦察系统对作战结果的影响更大,采取一定的防御措施也不能对平流层飞艇的损失率产生较大影响。

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。