平流层零压气球飞行控制仿真研究

文章在详细分析零压气球几何外形、内外热环境和受力等情况的基础上,建立了零压气球几何、热力学和运动学模型。基于该模型,对零压气球上升-驻空-下降全过程进行了仿真模拟,得到零压气球飞行高度、蒙皮及内部气体(氦气)平均温度、氦气质量、气球体积以及气球飞行速度随时间的变化规律,并讨论了气球充氦量以及放飞时间对气球飞行性能的影响。结果表明:气球在上升过程中,氦气存在严重的"超冷"现象,而在驻空和下降过程中,出现严重的"超热"现象。由于"超冷",气球上升速度曲线呈"W"型变化;中午过后,随着太阳辐射的减弱,气球开始下降,直至降到地面。此外,充氦量及放飞时间直接影响到上升过程中氦气温度和飞行速度,对气球驻空高度影响很小。

高空零压气球上升过程的运动特性研究

飞行在20km～100km高度的临近空间浮空器,在区域监视、侦查、应急通信与科学实验等领域具有独特的优势。高空零压气球是常见的临近空间浮空平台之一。对其上升过程运动特性的研究有利于增加驻空时间、减少横向漂移距离。文章通过建立零压气球充气量模型和气球上升过程中的动力学模型,对气球上升过程中动力学模型进行仿真分析,结合高空飞行试验数据,验证了所建模型的准确性。在模型的基础上对比了不同浮升气体对气球上升速度以及驻空高度的影响;研究了浮升气体充气量对载荷总量的影响,并分析了气球在上升过程中的体积变化以及驻空高度与浮升气体质量的关系,最后讨论了影响气球上升特性的关键因素。可以得到零压气球上升过程运动特性与浮升气体种类、充入气体量、气球规格、载荷质量有关,假设气球可无限膨胀不发生爆炸,浮升气体密度越小,充入气体量越多,载荷质量越轻,气球的驻空高度就越高,达平衡所需时间越少;实际工程应用中,气球受材料限制不可无限膨胀,面密度小的气球,可能在上升到驻空高度前发生爆炸,要使气球携带一定质量载荷在某一高度范围驻空,其充气量不能过多,需与一些物理量满足一定关系。