CN104483971B - 一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法 - Google Patents
一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法，涉及飞艇。在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等；上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；上升过程的执行方式分为两个阶段：1)排气和抛洒压舱物上升阶段；2)完全排气上升阶段。飞艇上升仅需依靠静浮力，不需要推进系统提供垂直方向的升力，可将飞艇平稳上升至平流层下部，并在上升过程中保证气囊内外压差维持在制定范围内的一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法。
Description
技术领域
本发明涉及飞艇，尤其是涉及工作在平流层下部(高度10～20km)的一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法。
背景技术
升降控制是平流层巨型飞艇的关键技术，但这一技术目前还不成熟(张伟.大型载重飞艇的升力控制方法探索[J].科技传播.2014,(12):181-182)。平流层巨型飞艇升降控制的难点在于：
第一，飞艇体积、质量巨大，而发动机推力有限，无法满足上升速度的要求；
第二，飞艇升降过程中，为维持飞艇形状，内外压差必须控制在非常严格的范围内；
第三，飞艇升降过程中的热力学效应进一步加大了控制的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供飞艇上升仅需依靠静浮力，不需要推进系统提供垂直方向的升力，可以将飞艇平稳上升至平流层下部，并在上升过程中保证气囊内外压差维持在制定范围内的一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法。
本发明包括以下步骤：
1)在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等，即
式(1)中，Fbuoyancy(t)表示飞艇的静浮力；飞艇的总质量为M，表示空气囊总质量，k表示空气囊个数；表示主气囊即浮升气体气囊的总质量，n表示浮升气体气囊个数；mstruct表示飞艇有效结构质量；mballast表示压舱物质量；
式(1)保证飞艇大部分时间里按指定速度匀速上升，由计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气密度控制抛洒压舱物和排气的速率，再利用式(1)两端的细微差别，控制飞艇的加速和减速；
2)在上升过程中，上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主，在加速阶段，Fbuoyancy(t)＞Mg；在减速阶段，Fbuoyancy(t)＜Mg；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；
3)上升过程的执行方式分为两个阶段：
(1)排气和抛洒压舱物上升阶段；
在初始时刻，各阀门都处于关闭状态，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要抛洒压舱物加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节各压载舱阀门，精细调节抛洒压舱物的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，通过协调控制压差和速度，使得飞艇从初始高度为0和垂直方向速度为0的状态开始安全平稳加速到某一特定速度，然后继续以这一速度匀速上升，直至压舱物抛洒完毕，在这一过程中，始终确保气囊内外压差维持在安全范围内；当此过程结束时，飞艇总密度等于外部同一高度大气的密度，但由于热力学效应，飞艇空气囊内气体温度低于外部大气温度，密度高于外部大气密度；
(2)完全排气上升阶段；
在排气和抛洒压舱物上升阶段后，进入完全排气上升阶段，分开始、中间、结束三部分；在开始部分，飞艇各气囊内的气体，特别是空气囊内的气体，由于阳光照射和热传导，都有膨胀的趋势，压差变大，因而需要排出更多气体，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节浮升气体阀门的开闭和开度，精细调节浮升气体的速率，确保速度维持在参考轨迹附近。因为此时压舱物已抛洒完毕，所以只能排放浮升气体能加速，由艇载计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气压强计算需排出气体的配比，计算排出气体配比的原则是，在每个时刻仍然要保证式(1)成立，从而既控制飞艇各气囊内外压差在安全范围内，又维持飞艇的上升速度，直至将飞艇的上升速度调整到新的设定速度；在中间部分，继续通过排放各气囊内的气体，维持飞艇以这一设定速度匀速上升，直至接近工作高度；在结束部分，继续通过控制排放气体的配比使得飞艇在垂直方向上减速到0，且正好使飞艇达到工作高度；在本阶段的全过程始终确保气囊内外压差维持在安全范围内，此后，上升过程结束，飞艇在竖直方向上切换到定高控制。
本发明克服了现有平流层巨型飞艇升降控制的以下难点：
第一，飞艇体积、质量巨大，而发动机推力有限，无法满足上升速度的要求；
第二，飞艇升降过程中，为维持飞艇形状，内外压差必须控制在非常严格的范围内；
第三，飞艇升降过程中的热力学效应进一步加大了控制的难度。
与现有平流层巨型飞艇升降控制相比，本发明具有以下优点：
飞艇上升仅需依靠静浮力，不需要推进系统提供垂直方向的升力，可以将飞艇平稳上升至平流层下部，并在上升过程中保证气囊内外压差维持在制定范围内的一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法。
附图说明
图1为飞艇的上升控制逻辑图。
图2为飞艇的期望速度随高度的变化曲线。
图3为飞艇的实际速度随高度的变化曲线。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明实施例包括以下步骤：
1)在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等，即
式(1)中，Fbuoyancy(t)表示飞艇的静浮力；飞艇的总质量为M，表示空气囊总质量，k表示空气囊个数；表示主气囊(浮升气体气囊)总质量，n表示浮升气体气囊个数；mstruct表示飞艇有效结构质量；mballast表示压舱物质量；
式(1)保证飞艇大部分时间里按指定速度匀速上升，由计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气密度等情况控制抛洒压舱物和排气的速率，再利用式(1)两端的细微差别，控制飞艇的加速和减速；
2)在上升过程中，上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主，在加速阶段，Fbuoyancy(t)＞Mg；在减速阶段，Fbuoyancy(t)＜Mg；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；
3)上升过程的执行方式分为两个阶段：
(1)排气和抛洒压舱物上升阶段；
在初始时刻，各阀门都处于关闭状态，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要抛洒压舱物加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节各压载舱阀门，精细调节抛洒压舱物的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，通过协调控制压差和速度，使得飞艇从初始高度为0和垂直方向速度为0的状态开始安全平稳加速到某一特定速度，然后继续以这一速度匀速上升，直至压舱物抛洒完毕，在这一过程中，始终确保气囊内外压差维持在安全范围内；当此过程结束时，飞艇总密度等于外部同一高度大气的密度，但由于热力学效应，飞艇空气囊内气体温度低于外部大气温度，密度高于外部大气密度；
(2)完全排气上升阶段；
在排气和抛洒压舱物上升阶段后，进入完全排气上升阶段，分开始、中间、结束三部分；在开始部分，飞艇各气囊内的气体，特别是空气囊内的气体，由于阳光照射和热传导，都有膨胀的趋势，压差变大，因而需要排出更多气体，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节浮升气体阀门的开闭和开度，精细调节浮升气体的速率，确保速度维持在参考轨迹附近。因为此时压舱物已抛洒完毕，所以只能排放浮升气体能加速，由艇载计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气压强等因素计算需排出气体的配比，计算排出气体配比的原则是，在每个时刻仍然要保证式(1)成立，从而既控制飞艇各气囊内外压差在安全范围内，又维持飞艇的上升速度，直至将飞艇的上升速度调整到新的设定速度；在中间部分，继续通过排放各气囊内的气体，维持飞艇以这一设定速度匀速上升，直至接近工作高度；在结束部分，继续通过控制排放气体的配比使得飞艇在垂直方向上减速到0，且正好使飞艇达到工作高度；在本阶段的全过程始终确保气囊内外压差维持在安全范围内，此后，上升过程结束，飞艇在竖直方向上切换到定高控制。
图1给出飞艇的上升控制逻辑图，在图1中，ΔP表示飞艇内外压差，表示压差变化，rΔP表示压差参考轨迹，v表示飞艇上升速度，rv表示速度参考轨迹，表示飞艇的质量变化。
实施例：速度参考轨迹先从0加速到0.5m/s，之后以0.5m/s保持匀速上升直至7000m的高度，在70000m以上的高空，特别在11～12km左右的为强风区，由于飞艇自身的特点，以及副气囊排气速率受限，极易受风的影响，飞艇需要在有限的时间内穿越复杂风场区域达到工作高度，因此飞艇应加速通过这段距离，则在7000m高空时改变控制策略，使速度从0.5m/s加速到1m/s，之后继续保持匀速上升，当达到某一指定的高度h2时，再次切换控制策略，使得飞艇开始进行减速过程，速度不断减小，使得飞艇达到20000m高度时，速度刚好为0。
其中，在0～h1高度，为排气和抛洒压舱物同时进行的控制方式，在h1～20000m高度，为完全排气的控制方式。
Claims (1)
1.一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等，即
式(1)中，Fbuoyancy(t)表示飞艇的静浮力；飞艇的总质量为M，表示空气囊总质量，k表示空气囊个数；表示主气囊即浮升气体气囊的总质量，n表示浮升气体气囊个数；mstruct表示飞艇有效结构质量；mballast表示压舱物质量；
式(1)保证飞艇大部分时间里按指定速度匀速上升，由计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气密度控制抛洒压舱物和排气的速率，再利用式(1)两端的细微差别，控制飞艇的加速和减速；
2)在上升过程中，上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主，在加速阶段，Fbuoyancy(t)＞Mg；在减速阶段，Fbuoyancy(t)＜Mg；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；
3)上升过程的执行方式分为两个阶段：
(1)排气和抛洒压舱物上升阶段；
在初始时刻，各阀门都处于关闭状态，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要抛洒压舱物加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节各压载舱阀门，精细调节抛洒压舱物的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，通过协调控制压差和速度，使得飞艇从初始高度为0和垂直方向速度为0的状态开始安全平稳加速到某一特定速度，然后继续以这一速度匀速上升，直至压舱物抛洒完毕，在这一过程中，始终确保气囊内外压差维持在安全范围内；当此过程结束时，飞艇总密度等于外部同一高度大气的密度，但由于热力学效应，飞艇空气囊内气体温度低于外部大气温度，密度高于外部大气密度；
(2)完全排气上升阶段；
在排气和抛洒压舱物上升阶段后，进入完全排气上升阶段，分开始、中间、结束三部分；在开始部分，飞艇各气囊内的气体，由于阳光照射和热传导，都有膨胀的趋势，压差变大，因而需要排出更多气体，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节浮升气体阀门的开闭和开度，精细调节浮升气体的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，因为此时压舱物已抛洒完毕，所以只能排放浮升气体能加速，由艇载计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气压强计算需排出气体的配比，计算排出气体配比的原则是，在每个时刻仍然要保证式(1)成立，从而既控制飞艇各气囊内外压差在安全范围内，又维持飞艇的上升速度，直至将飞艇的上升速度调整到新的设定速度；在中间部分，继续通过排放各气囊内的气体，维持飞艇以这一设定速度匀速上升，直至接近工作高度；在结束部分，继续通过控制排放气体的配比使得飞艇在垂直方向上减速到0，且正好使飞艇达到工作高度；在本阶段的全过程始终确保气囊内外压差维持在安全范围内，此后，上升过程结束，飞艇在竖直方向上切换到定高控制。
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