（流体力学专业论文）平流层对地观测平台非线性气动力及其运动的研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 本文以我国平流层对地观测平台的预研项目为背景，对飞艇平台的空间运动模型的建 立、空气动力计算、艇身外形优化、飞行轨迹规划，稳定性和能控性分析和姿态、航迹( 定 点) 控制阃题展开了研究 飞艇空间运动模型的建立是飞艇的稳定性分析、运动分析、轨迹规划和控制系统设计等 闯题的基础本文采用机理分析的方法，在详细分析飞艇受力情况的基础上，依据理论力学 原理和运动参数之闻的几何关系，分别建立了飞艇的动力学方程和运动学方程，共同组成了 完整的六自由度非线性运动方程作为飞艇的空闻运动模型。 在飞艇的初步设计阶段，为了对飞艇的稳定性分析和运动模拟，需要建立庞大的气动力 数据库，拥有一种快速准确的气动力计算方法是非常必要的。根据目前常用飞艇的外形特点， 将飞艇所受的定常气动力分成飞艇艇身和尾翼所受气动力两部分，每一部分的气动力按照无 粘流产生的线性法向力和粘性引起的非线性法向力分别进行计算采用细长体理论计算艇身 的线性法向力，艇身的非线性法向力采用a l l e n 横流阻力理论计算；采用面元法( 有限基本 解方法) 求解飞艇尾翼的线性法向力，而翼面的非线性法向力则采用p o | h a m u s - l a m a r 吸力 比拟理论计算，在全艇气动力计算中计入了艇身和尾翼的相互干扰，并计算了艇身和尾翼上 产生的脱体涡的涡迹和下洗干扰。通过算例的计算与实验结果比较得出该模型可以快速，准 确的计算飞艇所受的定常气动力。然后，对舵偏产生的定常气动力和飞艇的非定常气动力进 行了建模。最后得到飞艇在机体坐标系下的气动力和气动力矩。 由于飞艇平台的体积很大，从而能够产生很大的阻力。平台受到的阻力大约与飞行速度 的平方成正比。所需要的推力能量与飞行速度的三次方成正比。所以研究飞艇最小阻力外形 是非常必要的，这样可以提高推进器的效率。飞行所需要的能量主要由飞艇艇身阻力的大小 决定，它大约占飞艇总阻力的2 3 多。即使阻力减少很小，也会节省很多燃料，从而增加飞 艇承受有效负载的能力并延长运行时间所以，在飞艇外形设计时，对飞艇外形进行优化是 很有现实意义的本文采用无循环的势流边界层耦合方法与混合遗传算法得到艇身的阻力 最小外形飞艇的外形采用分段的五参数多项式表示。外部势流采用在艇身表面分布点源的 h e s s - s m i t h 面元法求解，得到艇身表面的速度和压力分布。边界层的计算采用积分边界层方 法：层流边界层采用t h w a i t e s 模型进行计算，湍流边界层的计算采用由s t u m c b r o o k 和 s t u n n e r 推导的轴对称方程。通过m i c h e l 转捩准则判定得到转捩点的位置。阻力系数采用 s q u i r e - y o u n g 方法计算得到最优外形通过由遗传算法和n c l d e r - m e a d 单纯形法组成的混合 遗传算法优化得到 对飞艇在升空、回收和位置调整过程中在不同的性能指标( 能量最少，时间最短、时间 与能量综合等等) 下的最优航迹进行研究可以对实际飞艇的航迹规划提供参考。本文采用直 接配点法将航迹规划问题转变成最优化问题，然后采用第四章的参数最优化方法得到飞艇的 l 擒要 最优轨迹作为算例计算了试验飞艇在不同性能指标下的最优轨迹 对于控制系统来说，影响其控制性能的根本因素是系统自身的固有性质。因此，在研究 飞艇的控制方案之前，需要对其运动特性有深入的了解。第二章中飞艇空间运动数学模型的 建立，为分析其行为和特性提供了可能。本文以试验飞艇的六自由度非线性运动模型为研究 对象，从运动稳定性和能控性两方面对飞艇运动进行分析。通过李亚普诺夫第一近似理论对 飞艇的稳定性进行了分析；采用非线性系统近似线性化的方法对其能控性进行了分析通过 分析得出飞艇在有外界干扰的情况下是不稳定的，但是是局部能控的。这对飞艇控制系统的 设计提供了理论基础 为了满足对地观测等用途的要求，飞艇在驻空于平流层时要求保持一定的姿态或对姿态 进行调整。本文研究了定点时飞艇的姿态控制问题。该控制方法也可以应用到飞行条件下的 姿态控制应用输入，输出反馈线性化和l y a p u n o v 方法设计了飞艇姿态鲁棒控制律，该控制 律可以实现飞艇姿态按指数规律跟踪期望值。仿真结果表明t 即使系统存在不确定性，仍可 在闭环系统中实现姿态的精确控制。 飞艇的导航控制系统的设计是飞艇作为各种用途需要解决的技术问题之一本文基于滑 模变结构控制关于不确定因素的不变性，采用不确定仿射非线性系统在满足匹配条件下输出 解耦变结构控制方法设计了飞艇的航迹( 定点) 控制律。仿真结果表明：在系统存在不确定 性与外界干扰的情况下，仍可使飞艇按照期望的航迹( 定点) 飞行 关键词：平流层飞艇，面元法，横流理论，直接配点法，遗传算法，单纯形法， 稳定性，能控性，姿态鲁棒控制，反馈线性化，输出解耦，变结构控制 2 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t p r e s e n f l y ，t h e r ei sas t r o n gi n t e r e s ti nd e v e l o p i n gu n m a n n e ds t r a t o s p h e r i ca i r s h i p p l a t f o r m s t ob eu t i l i z e da se a r t ho b s e r v a t i o n ，t e l e c o m m u n i c a t i o n r e l a y s ，f o r e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n go rs u r v e i l l a n c ep u r p o s e s w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h e s t r a t o s p h e r i cp l a t f o r mr & d ( r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n 0p r o j e c ti nc h i n a , i nt h i s c o n t e x t , t h ea i r s h i pp l a t f o r md y n a m i cm o d e l i n g ，a e r o d y n a m i cc o m p u m t i o i l ，s h a p e o p t i m i z a t i o no f a i r s h i pb o d y , o p t i m a lf l i g h tt r a j e c t o r i e so f a i r s h i p ，a n a l y s i so f s t a b i l i t y a n dc o n t r o l l a b i l i t yo fa i r s h i pa n da t t i t u d e , t r a j e c t o r y ( s t a t i o nk e e p i n g ) c o n t r o la r e s t u d i e di nt h i st h e s i s t h ed y n a m i cm o d e lo fa i r s h i pi st h eb a s i sf o r t h ea n a l y s i so fs t a b i l i t ya n d c o n t r o l l a b i l i t y , o p t i m a lf l i g h tt r a j e c t o r i e so fa i r s h i pa n dt h ed e s i g no fa t t i t u d e ， t r a j e c t o r y ( s t a t i o nk e e p i n g ) c o n t r o l l e r b a s e do nt h ep h y s i c a ip r i n c i p l e so ft h ea i r s h i p o p e r a t i o na n dt h er e l a t i o n so fm o v e m e n tp a r a m e t e r s ，an o n l i n e a rd y n a m i cm o d e li s p r e s e n t e d a st h es i x - d e g r e e - o f - f i e e d o m ( 6 d o f ) d y n a m i cm o d e l i nt h ef i r s tp h a s eo fd e s i g no fa i r s h i p ，a ne f f i c i e n ta e r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n m e t h o di sn e c e s s a r yf o rt h ea n a l y s i so fs t a b i l i t ya n dt h es i m u l a t i o no fa i r s h i p m o v e m e n t b a s e do nt h es h a p ec h a r a c t e r i s t i co fa i r s h i p ，t h ea e r o d y n a m i c so fa i r s h i p a g ed i v i d e di n t ot w op a r t ：t h ea e r o d y n a m i c so f a i r s h i pb o d ya n df i n s e v e r yp a r ti s c o m p o s e do ft h el i n e a ra e r o d y n a m i c sa n dn o n l i n e a ra e r o d y n a m i c s t h el i n e a r a e r o d y n a m i c so f 妞螂h u l li s c a l c u l a t e di nt e r m so fs l e n d e r - b o d yt h e o r y t h e n o n l i n e a ra e r o d y n a m i c so fa i r s h i ph u l li sc a l c u l a t e db ya l l e n sv i s c o u sc r o s sf l o w t h e o r y t h ef i n s l i n e a ra e r o d y n a m i c s i sc a l c u l a t e db yt h ea p p r o a c ho fp a n e l m e t h o d t h en o n l i n e a ra e r o d y n a m i c so ff i n si sc a l c u l a t e d b yt h ep o l h a m u s - l a m a r s u c t i o na n a l o g ym e t h o d t h ei n t e r f e r e n c eo fb o d ya n df i n sa r ei n c l u d e di nt h i s m o d e l i ti ss h o w nt h a tt h em o d e lc a ne f f i c i e n te s t i m a t et h ea e r o d y n a m i c so fa i r s h i p t h r o u g ht h er e s u l t so f c o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t t h e n ，t h ea e r o d y n a m i cm o d e lo f r u d d e r sa n de l e v a t o r sa n d u n s t e a d ya e r o d y n a m i cm o d e lo f a i r s h i pw e r eb u i l t f i n a l l y ， t h ea e r o d y n a m i cf o r c e sa n d t o r q u e si nt h eb o d y - f i x e dc o o r d i n a t e sw e r eo b t a i n e d d u et ot h el a r g ev o l u m eo ft h ea i r s h i ph u l l ，a na i r s h i ps h o w sh i g l ld r a g ，w h i c h r o u g h l yi n c r e a s e sw i t ht h es q u a r eo f t h ea i r s p d t h er e q u i r e dp r o p u l s i o np o w e ri s p r o p o r t i o n a lt ot h et h i r dp o w e ro f t h ea i r s p e e d t h e r e f o r e ，i ti so f e s s e n t i a li n t e r e s tt o m i n i m i z et h ea e r o d y n a m i cd r a ga n dt om a x i m i z et h ep r o p u l s i o ne f f i c i e n c y t h e a b s t r a c t p m p u i s i v ep o w e rr e q u i r e dd e p e n d sm a i n l yo nt h ea e r o d y n a m i cd r a go f t h ea i r s h i ph u l l , w h i c ha c c o u n t sf o ra b o u t2 3o f t h et o t a ld r a g e v e nas m a l lr e d u c t i o ni nh u l ld r a gc r n r e s u l ti nas i g n i f i c a n ts a v i n go ff u e l ，w h i c hi nt u r nw i l ll e a dt oag r e a t e rp a y l o a d c a p a c i t yo ra ni n c r e a s e dr a n g eo f t h ea i r s h i p d u r i n gt h ea e r o d y n a m i cd e s i g no fa n a i r s h i p ，i ti st h e r e f o r ee s p e c i a l l yi m p o r t a n tt of i n dad r a g - m i n i m i z e de n v e l o p ef o rt h e i n t e n d e dr a n g eo fm i s s i o n s u s i n go n e - w a yc o u p l e di n v i s c i d b o u n d a r yl a y e rm o d e l a n dah y b r i dg e n e t i ca l g o f i t h m , s h a p eo p t i m i z a t i o no fa i r s h i ph u l li ni n c o m p r e s s i b l e f l o wa tz e r oi n c i d e n c ew a sp e r f o r m e df o rt h eh i g ha l t i t u d es t r a t o s p h e r i cp l a t f o r m s t h ea i r s h i pg e o m e t r yi se x p r e s s e da n a l y t i c a l l ya sp i e c e w i s ep o l y n o m i a lf u n c t i o no f f i v ep a r a m e t e r s t h ei n v i s c i df l o wi sc o m p u t e db yd i s t r i b u t i o no fs o u r e eo na i r s h i p s u r f a c e ，w h i c hp r o v i d e st h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yo fa i r s h i p ss u r f a c e t h eb o u n d a r y l a y e ri sc o m p u t e du s i n ga ni n t e g r a lf o r m u l a t i o n ：t h el a m i n a rp a r to ft h ef l o wi s c o m p u t e dw i t ht h w a i t e s m o d e l ，a n dt h et u r b u l e n tp a r ti ss o l v e dw i t hs h a n e b r o o ka n d s u m n e r sm o d e l m i c h e lt r a n s i t i o nc r i t e r i o ni su s e dt ol o c a t et h et r a n s i t i o na r e a t h e d r a gc o e f f i c i e n ti sc o m p u t e du s i n gt h es q u i r e - y o u n gf o r m u l a o p t i m i z a t i o np r o b l e m s a r es o l v e du s i n gah y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mc o m p o s e do fg e n e t i ca l g o r i t h ma n d n e l d e r - m e a ds i m p l e xs e a r c hm e t h o d t h es t u d yo fa i r s h i po p t i m a lf l i g h tt r a j e c t o r i e s0 1 1t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n t p e r f o r m a n c ei n d e x e sc a no f f e rr e f e r e n c e sf o rt h ep l a no ft r a j e c t o r i e so fa i r s h i pu n d e r t h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s d i r e c tc o l l o c a t i o ni su s e di nt h i ss t u d y a i r s h i pf l i g h tp a t h0 1 1 t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ei n d e x e sw e r ec o m p u t e db yah y b r i dg e n e t i c a l g o r i t h mc o m p o s e do f g e n e t i ca l g o r i t h ma n d n e l d e r - m e a ds i m p l e xs e a r c hm e t h o d 1 n b cf u n d a m e n t a lf a c t o ra f f e c t i n gc o n t r o lc a p a b i l i t yi st h es y s t e mi n h e r e n c e c h a r a c t e rf o rt h ee n n t r o ls y s t e m t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa i r s h i pm u s tb er e a l i z e d b e f o r es t u d y i n gt h ec o n t r o lm e t h o do fa i r s h i p i ti sp o s s i b l ef o ra i r s h i pt oa n a l y s i si t s m o t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h r o u g ht h ed y n a m i cm o d e lo fa i r s h i pi nt h es e c o n dc h a p t e r b a s e do nt h es i xd e g r e eo ff r e e d o m ( 6 d o f ) n o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lo fa i r s h i p ，t h e s t a b i l i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t yo fa i r s h i p a r ca n a l y z e dt h r o u g ht h ef i r s ta p p r o x i m a t e t h e o r yo fl y a p u n o va n dt h em e t h o do fa p p r o x i m a t el i n e a r i z a t i o nr e s p e c t i v e l y i t s h o w st h a tt h ea i r s h i pi sn o ts t a b i l i z a t i o n , b u t , i sl o c a lc o n t r o u a b l e t h e s er e s u l t sc a n b ea st h eb a s ef o rt h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mo f a i r s h i p t h ea i r s h i ps h o u l dk c 印s o m e o n ea t t i t u d eo ra d j u s ts o m eo t h e ra t t i t u d ef o rt h e p u r p o s eo fe a r t ho b s e r v a t i o nd u r i n gt h ec o u r o fs t a t i o nk e e p i n gi nt h es t r a t o s p h e r e t h ea t t i t u d et r a c k i n gc o n t r o lp r o b l e mf o r 锄a i r s h i pw a ss t u d yi nt h i st h e s i s f o rt h i s 2 上海交通大学博士学位论文 c l a s so fm u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u tu n c e r t a i nn o n l i n e a rs y s t e m s ，ad e s i g nm e t h o do f r o b u s to u t p u tt r a c k i n gc o n t r o l l e r si sp r o p o s e db a s e do nt h eu p p e r - b o u n d so ft h e u n c e r t a i n t i e s u s i n gt h ei n p u t o u t p u tf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o na p p r o a c ha n dl y a p u n o v m e t h o d , 矗c o n t r o ll a wi sd e s i g n e d , w h i c hg u a r a n t e e s t h a tt h es y s t e mo u t p u t e x p o n e n t i a l l yt r a c k st h eg i v e nd e s i r e do u t p u t t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri se a s yt o c o m p u t ea n dc o m p l e m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , i nt h ec l o s e d - l o o ps y s t e m ， p r e c i s ea t t i t u d ec o n t r o li sa c c o m p l i s h e di ns p i t eo f t h eu n c e r t a i n t i e si nt h es y s t e m t h ed e s i g no f c o n t r o ll a wo f a i r s h i pt r a j e c t o r y ( s t a t i o nk e e p i n g ) i so n eo f t e c h n i q u e q u e s t i o n f o rs w a t o s p h e r e a i r s h i p b a s e do nt h ei n v a r i a b i l i t yo fv a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o lw i t h s | i d i n g m o d ea b o u tt h eu n c e r t a i n t i e s ，u s i n gt h eo u t p u td e c o u p l i n g v a r i a b l es t r u c t u r ea p p r o a c hf o rm a t c h e du n c e r t a i nn o n l i n e a rs y s t e m , ac o n t r o ll a wo f a i r s h i pt r a j e c t o r y ( s t a t i o nk e - p i n s ) i sd e s i g n e d i nt e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i co f m a t h e m a t i c a lm o d e lo fa i r s h i p s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r s h i pc a l lf l i g h t a l o n gt h ep l a n n e dt r a j e c t o r y ( s t a t i o nk o - p i n g ) i ns p i t eo f t h eu n c e r t a i n t i e si nt h es y s t e m a n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s k e yw o r d s ：s t r a t o s p h e r ea i r s h i p ；p a n e lm e t h o d ；c r o s sf l o wt h e o r y ；d i r e c t c o l l o c a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；s i m p l e xa l g o r i t h m ；s t a b i l i t y ；c o n t r o l l a b i l i t y ；a t t i t u d e r o b u s tc o n t r o l ；f e e d b a c kh n e a r i z a t i o n ；o u t p u td e c o u p l i n g ；v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。t 除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互族， 日期：棚 年i ，月p 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于。 不保密。 ( 请在以上方框内打“，”) 学位论文作者签名：互蝶：焉夕 指导狮躲彳咖 日期：例z 年，月，日日期：御g 年o 月，7 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 进入2 l 世纪随着相关技术的飞速发展在世界上掀起了研究和开发平流层对地观测平台 的热潮。在平流层空气密度只有0 0 6 - - 0 0 8 k g m 3 ，目前的设计方案一般倾向于采用轻于空气 ( l 1 a ) 的软式飞艇。这种平流层对地观测飞艇内部携带充有氦气的气囊以提供静浮力作为 升力。由于不再依靠运动产生升力，所以此类飞艇能够以极慢的速度飞行。甚至能够在空中 长期保持定点即相对地面静止，从而使其可以作为空中平台为地面的观测和通信等提供更为 长期和广泛的服务。 1 1 平流层飞艇平台发展概况 平流层平台飞艇与其他飞行器相比具有其独特优点：升力由浮力提供，这样就不需要能 量来保持一定的高度；飞艇艇身表面积很大，可以布放太阳能电池，从而满足负载、导航控 制系统和推进系统等需要的能量；由于在云层上方，太阳能电池可以得到太阳的直射；将飞 艇驻空在平流层，在所有的空中交通之上，属于不受管制的区域，而且平流层有着稳定的气 象条件和良好的电磁特性基于上述特点，早在2 0 世纪6 0 年代，美国空军就已经开始尝试 平流层平台的研制和试飞。直至进入2 0 世纪9 0 年代，英国、日本、韩国及西欧等国也开始 关注这一领域，纷纷制订出平流层平台的研制计划f l - 3 1 。下面对各个国家平流层飞艇平台的 发展分别进行概述 1 1 1 国外平流层飞艇平台的发展概况阳 美国对平流层平台的探索起步最早，也最先提出了平流层飞艇平台的概念。在2 0 世纪 9 0 年代，美国的s k ys t a t i o n 公司、s k y s a t 公司和l o c k h e e dm a r t i n 公司都提出了实用飞艇 平台的设计方案s k ys t a t i o n 公司设计的平台长度为1 5 0 m ， 最大直径为5 0 m ，容积为 1 7 0 0 0 0 m 3 ，有效荷载为4 9 1 2 吨。该平台需要1 0 0 n 的平均推力与1 6 0 0 n 的峰值推力以平 衡风力的作用，保持空中定点。用太阳能电池来提供平均为1 0 k w 。峰值为1 6 0 k w 的功率。 计划将平台定点高度设为2 3 k m 。在s k y s a t 公司的设计方案中，平台定点高度为2 0 1 u n ，平 台长2 0 0 m ，最大直径为2 5 m ，容积为8 1 8 4 2 m 3 ，有效荷载为4 5 4 k g ， 由航空发动机提供 动力。滞空时间分别为4 0 天，6 0 天和9 0 天。所对应的设计最大风速为6 1 7 ，5 a 1 和 2 ，5 7 m s 该公司于2 0 0 0 年进行了平台的升空演示。l o c k h e e dm a r t i n 公司和s t r a t e o m i n t e r n a t i o n a l 以及其他公司合作在完成了从1 9 9 8 年开始的可行性研究之后，已经进入试验 飞艇的组装、试验阶段试验飞艇的定点高度为2 1 k i n ，艇长3 5 8 m ，高6 4 m ，宽9 9 m ， l - ， 第一章绪论 内充氮气，能源系统采用光电电池与蓄电池 英国a t g 公司曾分别与美国的s k ys t a t i o n 公司以及日本政府就平流层平台项目进行 过合作，并且还和一些跨国公司签订了开发s t r a t s a t 平流层平台的合同，约定由其附属公司 s t r a t s a t 负责提供关键技术和设计性能。s t r a t s a t 平台是一个软式的飞艇，长2 0 0 m ，最大 直径为4 8 m ，可携带2 吨的有效载荷，在空中停留5 年时问2 0 0 1 年7 月s t r a t s a t 完成 了飞艇平台的初步设计，并且制造出了1 0 大小的试验飞艇该艇在3 0 0 m 高度成功的定 点试飞，为今后的研究提供了十分有用的工程数据。现在，s t r a t s a t 正在迸行计划的第二阶 段即。制造和试飞一个长1 1 0 m 的试验飞艇。与此同时，对实用平台的开发工作也在紧张地 进行着。 欧洲空间组织e s a 于1 9 9 8 年6 月开始进行高空长耗时航空平台的概念设计同年9 月d i a n d e r c h r y s l e r 公司和l i n d s t r a n d b a l l o o n s 公司承担了制定研究计划的任务1 9 9 8 年 9 月，研究计划提交给e s a 在e s a 的研究方案完成以后，d i a m l e r c h r y s l e r l i n d s t r a n d b a l l o o n s 联合向欧盟提议设立研究基金，并得到b i e l 、d e l f t 和s t u n g a r t 大学的支持。e s a 的平台设计最终采用了流线型的软式飞艇方案。通过对设计风速和平台的容积、游空高度与 容积、有效载荷与容积、飞行速度与耗能等关系的研究，确定了如下设计方案：飞艇全长为 2 2 0 m ，最大直径为5 5 m ，体积约为3 2 0 0 0 0 m 3 。阻力系数为0 0 2 2 ，总重量2 1 吨，有效 载荷为1 吨，飞艇采用y 形尾翼。尾部还装有电力驱动螺旋桨作为推进器由太阳能电池、 燃料电池和蓄电池提供能量。飞艇定点高度为2 1 k m 。设计风速为2 5 m s ，最大抗风能力 可达到5 0 m s 。由于缺乏平流层飞艇的制造经验。在研制实用平台之前，将先研制两个试验 艇d 1 5 ( 速度1 5 r i d s 。高度1 5 k m ) ，d 2 0 ( 速度2 0 m s ，高度2 0 k m ) 和一个接近于正式产品 的样艇p s d 1 5 的重点是研究平流层飞艇的可行性以及艇体的膨胀和在平流层中的移动， d 2 0 的重点是研究长期任务的可能性、高精度定位和系统自主控制的能力，p s 的性能将和 正式产品的性能接近是为正式的平台做准备 日本对平流层飞艇平台的研究起步也较早，并且由于政府的大力支持，已经取得了丰硕 的研究成果，在诸如材料、能源、风预测、热解析及追踪管制等很多关键技术的开发方面都 走在世界的前列【5 1 早在1 9 9 1 年日本的o n d a 教授就提出了高空观测平台h a l r o p ( h i g h a l t i t u d el o n gr a n g eo b s e r v a t i o n a lp l a t f o r m ) 的概念，并进行了可行性研究。1 9 9 5 年，o n d a 在 神户对一个3 4 0 m 3 的小飞艇模型进行了低空试飞该飞艇采用地面到空中的微波传输来提 供能量，总体的传输效率约为5 0 ，在5 0 m 高处停留了4 分钟尽管在空中停留时间很 短，这次试飞还是为高空平台能源系统的开发提供了宝贵的经验1 9 9 6 年，日本东京大学 o 上海交通大学博士学位论文 先端科学技术研究中心开始着手进行平流层平台飞行动力学及控制方案的研究项目1 9 9 8 年，日本官方、工业界和学术界共同组织成立了平流层平台开发协议会，该开发协议会下设 地球观测、飞艇和通信广播3 个分会，全面展开了对平流层平台的研究开发工作。作为平 流层平台s p f 研发项目的中心，飞艇的研究开发由科学技术厅所属的航空宇宙技术研究所 n a l 负责，追踪管制技术的研究开发由邮政省所属的通信广播机构t a o 三鹰研究中心负 责。经过数年的研究开发，与2 0 0 4 年的害秋季，在北海道大树实验场进行了一系列的定点 滞空飞行实验蛔该实验飞艇艇身长度为6 8 4 m ，在飞艇尾部有上下2 片作为方向舵的垂直 尾翼和左右2 片作为升降舵的水平尾翼，艇体下部安装有狭长的外吊舱。在吊舱的两侧配置 由电机驱动的涵道式螺旋桨艇体内部配置有3 个空气囊，前、中、后空气囊的体积分别为 1 7 、1 0 ，2 3 ，确保总容积比为5 0 ( 空气囊的容积艇体容积) ，这样，就有可能保证 4 k m 高度为止的浮力控制。本飞行实验的目的有两个：大体积飞艇的艇体制造、浮力热控 制、飞行控制包括在内的安全使用有关的技术验证和地球环境交通观测以及通信广播等 有效载荷的实施。 1 9 9 8 年，在韩国信息通信部的资助下，包括韩国空伺研究所k a r i 在内的几家研究机 构开始了对平流层平台的可行性研究。2 0 0 0 年下半年，韩国商业、工业和能源部正式发起 了平流层平台项目，k a r l 被推举为该项目的主要负责机构。该项目分为三个阶段，计划 1 0 年完成。从2 0 0 0 年1 2 月开始，k a r l 进入了研究开发的第一个阶段，这一阶段的任务 主要有两个方面，一方面是进行基础技术的研究，另一方面是研制5 0 m 长的飞艇模型。基 础技术研究包括：平流层环境研究、高空飞艇热效应、动力系统设计以及大型飞艇的操纵等 几个领域，而开发飞艇模型就是为了验证这些关键技术。经过8 个月的工作，k a r i 完成了 飞艇模型的系统设计和初步设计。直到2 0 0 4 年第一个阶段完成，并进入第二个阶段 设计 实用飞艇，实验其在2 0 k m 高空的定点保持能力和用于通信与对地观测用途的可行性川。 1 1 2 我国平流层飞艇平台的发展概况哪 我国于上世纪末启动了研制平流层平台的科研项目，从平台材料、结构尺寸、载荷配置、 自动控制、遥感遥测、能源系统、动力、气动载荷以及平流层通信网络系统等各方面，对平 流层平台进行了全砸可行性预研和方案论证该项目计划分阶段完成，第一阶段拟采用我国 自主研制的充氮气l t a 软式飞艇作为验证平台，对平流层平台的发射、控制及回收技术进 行可行性研究，并进行低空的自主定点保持实验。第二阶段，试验飞艇平台使用太阳能电池 和燃料电池，并且将能够在平流层较长时间停留，用于检验自动定位和自动高度控制的精确 性、各功能单元工作的可靠性、飞艇的起飞、温控和氨气泄露以及飞行操作规则等。在通信 - 3 第一章绪论 方面主要是检验2 g 高清晰度电视系统、第三代移动通信系统和新的毫米波波段的高速宽带 无线接入系统。 1 2 平流层飞艇平台面临的技术问题和研究现状 低空飞艇发展较早，技术也相对成熟 9 , 1 0 l ，由于平流层飞艇平台和低空飞艇在外形、结 构、控制、气动力等方面有相同之处，在研究平流层飞艇平台时可以借鉴但是与低空飞艇 相比，平流层飞艇需要长期定点在平流层，这就带来一些新的技术问题。可以归纳为以下五 个方面： 轻质高强度材料 平流层空气密度低，仅为地面空气密度的1 1 4 以下，产生的浮力小。为了增加飞艇承受 有效负载的能力，其外蒙皮，充放气囊以及氮气囊必须是轻质高强度的材料同时还必须对 氮气的密封性好，并且能够抵抗各种射线、抗老化，适应平流层的大气环境另外，在平流 层底部昼夜温差很大，因此飞艇外蒙皮的反射与吸收特性也非常重要。这样就需要开发具有 各种特性的薄膜素材组合而成的积层膜 外形和结构 平台外形和结构设计必须综合考虑容积、滞空高度、有效载荷、飞行速度与耗能等各方 面的因素外蒙皮是平流层飞艇的主要结构，通常占总体重量的2 0 左右。除此之外平流层 飞艇还包括龙骨、氮气囊、尾翼以及推进器等部分合理的结构设计是保证飞艇满足各种性 能要求的前提。目前平流层飞艇平台的外形可以通过优化设计”得到，一般采用流线型， 长细比大于或等于3 ；尾翼形