CN108725734A - 一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，属于飞行器飞行控制技术领域，设定平流层飞艇艇体内外压差的上限值P_u和下限值P_l，测量平流层飞艇艇体内外侧的气压分别为P和P'，并计算艇体内外压差的大小P_e＝P‑P'，对比平流层飞艇艇体内外压差P_e与上限值P_u、下限值P_l的大小，并根据大小关系，采用浮升气囊、空气囊和调节气囊协同调节浮力和压力，通过热力循环装置调节工质的热力学参数，从而改变热调节气囊的体积和压力，由此调节平流层飞艇的压力和浮力。

Description

一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法

技术领域

本发明属于飞行器飞行控制技术领域，具体涉及一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法。

背景技术

平流层飞艇是指依靠浮升气体提供静升力，长期工作在18-20km高度范围并执行特定任务的浮空类飞行器。平流层飞艇具有持久驻留、能耗低、可重复使用等特点，其中，长期区域驻留是其特有的工作模式和应用优势。临近空间浮空器通过搭载有效载荷可发展为“空”、“临近空间”和“天”相结合的新型电子信息装备，可以广泛应用于侦察监视、区域预警、通信中继、电子对抗、导航定位、毁伤评估等军事领域，能够有效弥补当前航空和航天装备的不足，对构建空天一体化国家安全体系具有重要意义。

鉴于平流层飞艇显著的应用优势和巨大的应用潜力，各航空航天大国争先制定平流层飞艇项目计划，积极开展可行性论证、关键技术攻关和飞行试验。但是，目前已完成的飞行试验均为关键技术或演示验证试验，世界范围内尚未研制成功能够长期驻空、稳定运行的平流层飞艇。其中，最具代表性的平流层飞艇项目是“高空哨兵”飞艇(HiSentinel)和高空飞艇(High Altitude Airship，HAA)。2008年6月，“高空哨兵”飞艇的HiSentinel-50试验艇在飞行试验中上升至20km高度后由于艇囊内外压差超过阈值导致囊体破裂。2010年11月，“高空哨兵”飞艇的HiSentinel-80试验艇进行了首次飞行试验，在20km高度短暂滞空8小时，但是因飞行控制故障处于自由飘飞状态，下降过程中因氦气阀故障导致无法顺利降落。2011年7月，HAA的试验艇HALE-D(High Altitude Long Endurance-Demonstrator)进行了首次飞行试验，上升至9.75km高度时因净浮力不足导致试验失败。上述案例表明:平流层飞艇放飞升空、定点驻留和降落返回过程，浮力和压力之间存在复杂耦合关联，飞行控制存在诸多关键技术难题。

相比于飞机、导弹和卫星等传统飞行器，平流层飞艇的飞行控制问题面临以下难题：1)平流层飞艇被称为“热飞行器”，红外辐射、太阳辐照等环境热效应导致囊内气体的热力学状态大幅摄动，致使浮力、压力不断变化；2)平流层飞艇的浮力和压力之间存在复杂动态耦合关系。因此，平流层飞艇的浮力和压力控制是其飞行控制的关键难题。

现有的平流层飞艇浮力与压力调节通常采用以下两类技术方案：一是单囊体方案，如“高空哨兵”飞艇；二是主副气囊方案，如高空飞艇。“高空哨兵”飞艇仅有一个氦气囊，为单囊体方案。升降过程中氦气囊自由膨胀或压缩，不与外界发生质量交换，特殊情况下通过释放氦气或抛压舱物实现小幅的浮力与压力调节，不具备可逆的浮力与压力调节能力，难以实现长期区域驻留和可控升降。高空飞艇采用氦气囊加空气囊的主副气囊方案，通过风机和阀门控制副气囊与外界大气的质量交换。这一方案虽然克服了单囊体的缺点，但仅有“空气质量流率”单一调节方式，无法有效解决“超冷”和“超热”问题；且风机和阀门吸排气流率有限，不能实现高效的浮力与压力调节。

发明内容

为了克服现有平流层飞艇控制技术领域中存在的不足，本发明提出了一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，实现平流层飞艇压力与浮力的有效调节。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，以僧帽水母为仿生对象，将平流层飞艇设计成包括均匀设置在艇体内部上层的多个浮升气囊、均匀设置在艇体内部下层的多个空气囊以及设置在艇体内部中层的热调节气囊的僧帽水母状平流层飞艇，浮升气囊内部填充有比空气质量轻的气体，空气囊内部填充有空气，热调节气囊内部填充有通过热力循环气液可逆的工质，空气囊的下部设有用于排除空气的气阀和用于充入空气的风机，热调节气囊内的底部安装有用于对工质加压或加热的热力循环装置，通过热力循环装置调节工质的气液状态转换来调节平流层飞艇的压力和浮力，具体调节步骤如下：

S1，设定平流层飞艇艇体内外压差的上限值P_u和下限值P_l；

S2，测量平流层飞艇艇体内外侧的气压，记平流层飞艇内侧的气压为P，记平流层飞艇外侧的气压为P'，并计算艇体内外压差的大小P_e＝P-P'；

S3，对比平流层飞艇艇体内外压差P_e与上限值P_u、下限值P_l的大小；

S4，根据平流层飞艇艇体内外压差与上限值、下限值的大小关系，采用浮升气囊、空气囊和调节气囊协同调节浮力和压力。

作为优选的，浮升气囊内部填充的气体为氦气。

作为优选的，气阀和风机分别安装在空气囊底部对称的位置。

作为优选的，在S1中，设定平流层飞艇艇体内外压差的上限值P_u为800Pa、下限值P_l为50Pa。

作为优选的，在S2中，采用多个设置在平流层飞艇内侧蒙皮上的压力传感器测量平流层飞艇内侧的气压大小为P₁，P₂,...,P_n，采用多个设置在平流层飞艇外侧蒙皮上的压力传感器测量平流层飞艇外侧的气压大小为P₁',P₂',...,P_n'，并取内侧蒙皮上多个压力传感器测量的多组压力数据的平均值作为平流层飞艇内侧的气压取外侧蒙皮上多个传感器测量的多组压力数据的平均值作为平流层飞艇内侧的气压

作为优选的，在S2中，多个设置在平流层飞艇外侧和多个设置在平流层飞艇内侧的压力传感器设置分别设置在对应的内外侧蒙皮上。

作为优选的，在S4中，若P_e＞P_u，平流层飞艇内外压差超过上限值，在此工况下，启动热力循环装置，通过对工质加压将工质由气态转化为液态，使得热调节气囊的体积和压力减小，空气囊则通过风机吸入外界空气来增大体积，从而增加平流层飞艇的重量并保持平流层飞艇内外侧的压力平衡。

作为优选的，在S4中，若P_e＜P_l，平流层飞艇内外压差小于下限值，在此工况下，启动热力循环装置，加热工质将其由液态转化为气态，使得热调节气囊的体积和压力增加，热调节气囊体积增大并挤压空气囊，空气囊则通过阀门排出空气来减小体积，从而减轻平流层飞艇的重量，增加平流层飞艇的浮力并保持平流层飞艇内外侧的压力平衡。

在平流层飞艇放飞升空过程中，外界大气压强、温度随高度增加而减小，在11-20km高度范围内大气温度基本不变，浮升气囊内气体由于外界大气压强降低产生热力学膨胀，其温度下降的幅度大于外界温度下降的幅度，产生“超冷”现象，导致艇体内压力减小，艇体内压力小于外界压力，则启动热力循环装置，加热工质将其由液态转化为气态，热调节气囊体积和压力增加，热调节气囊体积增大挤压空气囊，空气囊则通过阀门排出空气来减小体积，从而减轻平流层飞艇的重量。

在平流层飞艇区域驻留过程中，太阳辐射等热效应将导致艇体内气体温度升高，产生“超热”现象，导致艇体内压力增加，艇体内压力大于外界压力，则启动热力循环装置，加压工质将其由气态转化为液态，热调节气囊体积和压力减小，为浮升气囊中的气体提供膨胀空间，降低艇体内的压力并保持艇体内外的压力平衡。

在平流层飞艇下降返回过程中，艇体内气体随外界大气压强增加产生热力学压缩，艇体内温度大于外界大气温度，产生“超热”现象，则启动热力循环装置，加压工质将其由气态转化为液态，热调节气囊体积和压力减小，空气囊通过风机吸入外界空气增大体积，从而增加艇体内的空气重量，增加平流层飞艇的整体重量。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、采用浮升气囊、空气囊和热调节气囊协同调节浮力和压力，相比于单囊体和主副气囊方案，可以增加控制手段、提高控制效率；

2、采用均匀分布在艇体内部中层的热调节气囊，相比于单囊体和主副气囊方案，能够在超热和超压工况下通过热力循环将工质由气态转化为液态，在超冷工况下通过热力循环将工质由液态转化为气态，从而大范围的调节艇体的浮力和压力，来实现平流层飞艇的飞行控制；

3、通过热调节气囊对工质状态的调节，从而平衡外界环境产生热效应对平流层飞艇内部气体的影响，有效利用平流层飞艇的浮力和压力之间存在复杂动态耦合，从而保证平流层飞艇在驻留区域工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明平流层飞艇的结构示意图；

图2是本发明平流层飞艇浮力与压力协同控制方法的流程示意图。

图例说明：1：艇体，2：浮升气囊，3：空气囊，31：气阀，32：风机，4：热调节气囊，41：热力循环装置。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图1-2所示，一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，通过热力循环装置41调节平流层飞艇压力和浮力的具体步骤如下：

S101，设定平流层飞艇艇体1内外压差的上限值为P_u＝800Pa、下限值P_l＝50Pa；

S102，通过压力传感器测量平流层飞艇艇体1内外的气压大小，并计算得出平流层飞艇艇体1内外压差为P_e＝900Pa；

S103，对比平流层飞艇艇体1内外压差与上限值、下限值的大小，P_e＞P_u，艇囊内外压差大于上限值；

S104，根据平流层飞艇艇体1内外压差与上限值的大小关系，启动热力循环装置41，通过对工质加压将工质由气态转化为液态，使得热调节气囊4的体积和压力减小，空气囊3则通过风机32吸入外界空气来增大体积，从而增加平流层飞艇的重量并保持平流层飞艇内外侧的压力平衡。

实施例2

如附图1-2所示，一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，通过热力循环装置41调节平流层飞艇压力和浮力的具体步骤如下：

S101，设定平流层飞艇艇体1内外压差的上限值为P_u＝800Pa、下限值P_l＝50Pa；

S102，通过压力传感器测量平流层飞艇艇体1内外的气压大小，并计算得出平流层飞艇艇体1内外压差为P_e＝30Pa；

S103，对比平流层飞艇艇体1内外压差与上限值、下限值的大小，P_e＜P_l，艇囊内外差大于上限值；

S104，根据平流层飞艇艇体1内外压差与上限值的大小关系，启动热力循环装置41，加热工质将其由液态转化为气态，使得热调节气囊4的体积和压力增加，热调节气囊4体积增大并挤压空气囊3，空气囊3则通过阀门排出空气来减小体积，从而减轻平流层飞艇的重量，增加平流层飞艇的浮力并保持平流层飞艇内外侧的压力平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，以僧帽水母为仿生对象，将平流层飞艇设计成包括均匀设置在艇体内部上层的多个浮升气囊、均匀设置在艇体内部下层的多个空气囊以及设置在艇体内部中层的热调节气囊的僧帽水母状平流层飞艇，浮升气囊内部填充有比空气密度轻的气体，空气囊内部填充有空气，热调节气囊内部填充有通过热力循环气液状态可逆的工质，空气囊的下部设有用于排出空气的气阀和用于充入空气的风机，热调节气囊内的底部安装有用于对工质加压和加热的热力循环装置，通过热力循环装置调节工质的气液状态来调节平流层飞艇的压力和浮力，具体调节步骤如下：

S1，设定平流层飞艇艇体内外压差的上限值P_u和下限值P_l；

S2，测量平流层飞艇艇体内外侧的气压，记平流层飞艇艇内的气压为P，记外界大气压为P'，并计算艇体内外压差的大小P_e＝P-P'；

S3，对比平流层飞艇艇体内外压差P_e与上限值P_u、下限值P_l的大小；

S4，根据平流层飞艇艇体内外压差与上限值、下限值的大小关系，采用浮升气囊、空气囊和调节气囊协同调节浮力和压力。

2.根据权利要求1所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，浮升气囊内部填充的气体为氦气。

3.根据权利要求2所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，气阀和风机分别安装在空气囊底部对称的位置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，在S1中，设定平流层飞艇艇体内外压差的上限值P_u为800Pa、下限值P_l为50Pa。

5.根据权利要求4所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，在S2中，采用多个设置在平流层飞艇内侧蒙皮上的压力传感器测量平流层飞艇内侧的气压大小为P₁，P₂,...,P_n，采用多个设置在平流层飞艇外侧蒙皮上的压力传感器测量外界大气压大小为P₁',P₂',...,P_n'，并取内侧蒙皮上多个压力传感器测量的多组压力数据的平均值作为平流层飞艇内侧的气压取外侧蒙皮上多个传感器测量的多组压力数据的平均值作为平流层飞艇内侧的气压

6.根据权利要求5所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，在S2中，多个设置在平流层飞艇外侧和多个设置在平流层飞艇内侧的压力传感器设置分别设置在对应的内外侧蒙皮上。

7.根据权利要求6所述的一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法，其特征在于，在S4中，若P_e＞P_u，平流层飞艇内外压差超过上限值，启动热力循环装置对工质加压将工质由气态转化为液态，使得热调节气囊的体积和压力减小；

在S4中，若P_e＜P_l，平流层飞艇内外压差小于下限值，启动热力循环装置，加热工质将其由液态转化为气态，使得热调节气囊的体积和压力增加。