CN111547223B - 用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇 - Google Patents

用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇，所述系统包括：动力推进装置，安装在飞艇上，用于为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；旋转尾翼装置，安装在所述飞艇上，并位于所述推进尾流区域内，包括可旋转的下尾翼，根据飞艇所需偏航力矩，实时调整所述下尾翼的旋转方向和旋转角度，在所述推进尾流区域形成飞艇所需要的偏航力矩，对飞艇进行偏航控制。本发明提高了平流层飞艇偏航控制的效率。

Description

用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇
技术领域
本发明涉及飞艇偏航控制技术领域，尤其涉及一种用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇。
背景技术
在中纬度地区，平流层位于离地表10km至50km的高度，而在极地，此层则始于离地表8公里左右。平流层大气成分稳定，气流呈水平流动，基本无雨、雪、雷和电等气象现象；其空气密度仅为近地面空气密度的1/14。由于平流层所处的高度区间，以及所具有的独特气候条件，是大气层中最平静的一段，几乎不受天气影响，也几乎从不潮湿，同时，平流层有着稳定的气象条件和良好的电磁特性。平流层飞艇最佳驻留高度在18-25km，这个高度大气稀薄，空气密度不到海平面的十分之一，为了满足大载荷能力的要求，飞艇需要具有足够的浮力，因此，飞艇体积巨大，一般在数万至数十万立方米。这一高度也是东西风的风向转变层，几乎常年存在一个弱风层，正是这个弱风层，是平流层飞艇得以长期驻留的依据所在。
平流层飞艇飞行速度一般在每秒十米左右，在稀薄的平流层环境中，在低速下要想通过尾翼舵面进行飞艇偏航控制几乎是不可行的，这也给平流层飞艇的偏航控制带来了相当的难度。现有技术中，通过给平流层飞艇尾部增加偏航螺旋桨，使其专门用于飞艇偏航控制，也有给飞艇尾部安装有矢量推进装置，既可以增加推进螺旋桨的推力，也可以通过矢量作动以使飞艇产生偏航力矩。但是，这些动力机构的增加，不可避免地增加了整套结构重量，且在进行飞艇偏航控制时也需消耗大量能源，大大降低了偏航控制的效率，由此可知，如何实现对平流层飞艇高效偏航控制成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇，提高了平流层飞艇偏航控制的效率。
为了解决上述技术问题，根据本发明第一实施例，提供了一种用于平流层飞艇偏航控制的系统，包括：
动力推进装置，安装在飞艇上，用于为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；
旋转尾翼装置，安装在所述飞艇上，并位于所述推进尾流区域内，包括可旋转的下尾翼，根据飞艇所需偏航力矩，实时调整所述下尾翼的旋转方向和旋转角度，在所述推进尾流区域形成飞艇所需要的偏航力矩，对飞艇进行偏航控制。
进一步的，所述动力推进装置包括：
推进支架，安装在所述飞艇的腹部；
推进电机，安装在所述推进支架上，为推进螺旋桨提供动力；
推进螺旋桨，安装在所述推进电机上，通过旋转为飞艇提供气动力，旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域。
进一步的，所述旋转尾翼装置还包括：
下尾翼安装支架，安装在所述飞艇上，并位于所述推进螺旋桨尾流区域内；
下尾翼旋转驱动部，安装在所述尾翼支架上，与下尾翼旋转轴相连接，用于驱动所述下尾翼旋转轴旋转；
下尾翼旋转滑轨，安装在所述下尾翼安装支架上；
下尾翼旋转滑块，位于所述下尾翼旋转滑轨上，可沿所述下尾翼旋转滑轨滑动；
下尾翼旋转轴，与所述下尾翼旋转滑块相连接，通过所述下尾翼旋转轴带动所述下尾翼旋转滑块沿所述下尾翼旋转滑轨滑动，从而带动所述下尾翼旋转。
进一步的，所述所述下尾翼为张拉膜结构或刚性框架结构。
根据本发明第二实施例，提供了一种用于平流层飞艇偏航控制的方法，包括：
动力推进装置为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；
根据飞艇所需偏航力矩实时调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度；
基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度在所述推进尾流区域内形成飞艇所需要的偏航力矩，对所述飞艇进行偏航控制。
进一步的，所述动力推进装置为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域，包括：
动力推进装置的推进螺旋桨旋转为飞艇提供相对流的气动推力，推进所述飞艇移动，所述推进螺旋桨旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域。
进一步的，以飞艇前进方向为基准，所述调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度包括：
控制所述下尾翼处在中间位置时，不产生偏航力矩，飞艇沿直线向前飞行；
或者，
控制所述下尾翼顺时针偏转，受所述推进螺旋桨的尾流作用，所述下尾翼产生逆时针气动力，推动所述飞艇在前进方向向左偏转；
或者，
控制所述下尾翼逆时针偏转，受所述推进螺旋桨的尾流作用，所述下尾翼产生顺时针气动力，推动飞所述艇在前进方向向右偏转。
进一步的，所述调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度包括：
所述旋转尾翼装置的下尾翼旋转驱动部驱动下尾翼旋转轴旋转，所述下尾翼旋转轴带动下尾翼旋转滑块沿下尾翼旋转滑轨滑动，从而带动所述下尾翼旋转。
进一步的，所述基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度在所述推进尾流区域形成飞艇所需要的偏航力矩，对飞艇进行偏航控制，包括：
基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度，通过公式(1)确定飞艇所需要的偏航力矩M：
M＝0.5ρCdLSv2sin2θcosθ (1)
基于所述偏转力矩M，通过公式(2)确定对飞艇产生的偏航加速度
Figure BDA0002519425060000031
为：
Figure BDA0002519425060000041
其中，L为下尾翼与飞艇质心的距离，S为下尾翼的面积，ρ为飞艇所在高度的大气密度，Cd为下尾翼的气动阻力系数，θ为可以实时调整的变量是下尾翼的偏转角度，v为推进螺旋桨在下尾翼处的来流速度，J为飞艇水平方向旋转惯量；
基于所述偏转力矩M和偏航加速度
Figure BDA0002519425060000042
对飞艇进行偏航控制。
根据本发明第三实施例，提供了一种飞艇，其包括所述用于平流层飞艇偏航控制的系统。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的一种用于平流层飞艇偏航控制的系统、方法和飞艇可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
本发明充分利用平流层飞艇动力推进装置在推进过程中产生的高速尾流，在推进尾流区域内安装一个可以旋转的下尾翼，在飞艇推进过程中，根据飞艇控制需要，调整下尾翼的偏转方向和偏转角度，给飞艇提供不同方向和不同大小的偏航力矩。本发明无需额外增加动力机构，因此无需增加整套飞艇系统的重量，减少了飞艇偏航控制时消耗的能源，提高了飞艇偏航控制的效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1(a)为现有技术的平流层飞艇侧视图；
图1(b)为现有技术的平流层飞艇后视图；
图2为用于平流层飞艇偏航控制的系统侧视图；
图3为用于平流层飞艇偏航控制的系统后视图；
图4为用于平流层飞艇偏航控制的系统的下尾翼旋转到左侧最大角度时的示意图；
图5为用于平流层飞艇偏航控制的系统的下尾翼旋转到右侧最大角度时的示意图；
图6为用于平流层飞艇偏航控制的系统的下尾翼处于中间位置时的示意图。
【符号说明】
10：动力推进装置 20：旋转尾翼装置
1：飞艇 2：推进支撑结构
2-1：推进支架 2-2：推进电机
3：推进螺旋桨 4-1：下尾翼安装支架
4-2：下尾翼旋转驱动部 4-3：下尾翼旋转滑轨
4-4：下尾翼 4-5：下尾翼旋转滑块
4-6：下尾翼旋转轴 5：水平尾翼
6：上尾翼 7：太阳能电池
具体实施方式
以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，以下所描述的实例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，以使本领域技术人员在阅读本说明书内容后可以实施本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。此外，所述附图并非严格依照实际比例大小进行绘制，也并不完整体现所述装置的形状或结构，而仅仅在于方便对本发明的精神和原理的理解，所以，在有些图中为了更加清楚地示出其中的结构而可能被局部或全部放大，并且在有些图中可能对部分结构给予省略以能更为清楚地表示出相应的技术方案。此外，应当明白，关于本方法的对本领域技术人员而言属于显而易见的部分内容，可能并没有在本文中予以重复，但是，这些内容属于本发明的必有内容，因而应当被并入构成本发明整体内容的一部分。
平流层飞艇体积巨大，为使庞大的飞艇在稀薄的平流层环境中有足够的前进推力，动力推进装置一般尺寸较大，直径达数米甚至十多米，这使得动力推进装置中的支撑结构尺寸很大，这给动力推进装置的安装带来了很大困难。为此，根据飞艇经典布局方式，平流层飞艇主推进即动力推进装置可以安装在飞艇腹部，极大地减少了动力推进装置的悬臂重量，也大大降低了动力推进装置的支撑结构对飞艇艇体局部集中应力，螺旋桨推进结构尺寸可以设计的较为轻小便捷，也大大减小了结构重量。一种现有的典型的平流层飞艇布局形式如图1(a)、图1(b)所示，飞艇1采用“十字”形尾翼布局：推进螺旋桨3安装在推进支撑结构2之上，位于飞艇1腹部，太阳能电池7位于飞艇1顶部，尾翼由下尾翼4-4、水平尾翼5、上尾翼6组成，在一些原理样机中，有些平流层飞艇1仅有上尾翼6和下尾翼4-4，为减轻飞艇1结构重量，甚至只保留下尾翼4-4。
基于此，本发明实施例提供了一种用于平流层飞艇偏航控制的系统，如图2和图3所示，包括动力推进装置10和旋转尾翼装置20，其中，动力推进装置10安装在飞艇1上，用于为飞艇1提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域。旋转尾翼装置20，安装在所述飞艇1上，并位于所述推进尾流区域内，包括可旋转的下尾翼4-4，根据飞艇1所需偏航力矩，实时调整所述下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度，在所述推进尾流区域形成飞艇1所需要的偏航力矩，对飞艇1进行偏航控制。
作为一种示例，所述动力推进装置10包括推进支架2-1、推进电机2-2和推进螺旋桨3，其中，推进支架2-1安装在所述飞艇1的腹部；推进电机2-2安装在所述推进支架2-1上，为推进螺旋桨3提供动力；推进螺旋桨3安装在所述推进电机2-2上，通过旋转为飞艇1提供气动力，旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域。
所述动力推进装置10在所述推进尾流区域内，因此通常可将动力推进装置10也安装在飞艇腹部。所述旋转尾翼装置20安装在所述旋转尾翼装置20还包括下尾翼安装支架4-1、下尾翼旋转驱动部4-2、下尾翼旋转滑轨4-3、下尾翼旋转滑块4-5和下尾翼旋转轴4-6，其中，下尾翼安装支架4-1安装在所述飞艇1上，并位于所述推进螺旋桨尾流区域内，为下尾翼4-4的安装提供一个刚性支撑；下尾翼旋转驱动部4-2安装在所述尾翼支架上，与下尾翼旋转轴4-6相连接，用于驱动所述下尾翼旋转轴4-6旋转；下尾翼旋转滑轨4-3安装在所述下尾翼安装支架4-1上，下尾翼旋转滑轨4-3也是刚性结构；下尾翼旋转滑块4-5位于所述下尾翼旋转滑轨4-3上，可沿所述下尾翼旋转滑轨4-3滑动；下尾翼旋转轴4-6与所述下尾翼旋转滑块4-5相连接，下尾翼4-4由下尾翼旋转轴4-6及驱动和下尾翼旋转滑块4-5固定，通过所述下尾翼旋转轴4-6带动所述下尾翼旋转滑块4-5沿所述下尾翼旋转滑轨4-3滑动，从而带动所述下尾翼4-4旋转，下尾翼旋转轴4-6是整个下尾翼4-4的旋转中心，下尾翼旋转驱动部4-2可直接安装在下尾翼旋转轴4-6处。
飞艇1飞行过程中，动力推进装置10后部会形成直径十多米的高速尾流区域，即所述推进尾流区域形，在稀薄的平流层大气中，这种尾流会作用在很长距离内，将飞艇下尾翼4-4安装在这个推进尾流区域形内，这种下尾翼4-4与艇体的连接点主要包括两部分，一个是位于前部的旋转中心，另一个是位于后部的旋转滑轨(或滑槽)。根据舰艇所需要的偏航力矩，实时调整下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度，在推进螺旋桨3的尾流影响区域里形成飞艇1所需要的偏航力矩，进而使飞艇1完成偏航控制，提高了平流层飞艇1偏航控制的效率。
作为一种示例，所述下尾翼4-4为张拉膜结构或刚性框架结构，以尽可能减少下尾翼4-4的厚度，增加下尾下尾翼4-4翼面的承载能力。
本发明实施例还提供了一种用于平流层飞艇偏航控制的方法，包括：
步骤S1、动力推进装置10为飞艇1提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；
步骤S2、根据飞艇1所需偏航力矩实时调整旋转尾翼装置20的下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度；
步骤S3、基于所述下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度在所述推进尾流区域内形成飞艇1所需要的偏航力矩，对所述飞艇1进行偏航控制。
作为一种示例，所述步骤S1包括：动力推进装置10的推进螺旋桨3旋转为飞艇1提供相对流的气动推力，推进所述飞艇1移动，所述推进螺旋桨3旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域。
平流层飞艇1在飞行过程中，推进螺旋桨3高速旋转，给飞艇1提供相对来流的气动推力，在推进螺旋桨3的尾流区域内，根据下尾翼4-4的偏转方向和偏转角度调整飞艇1的偏航方向和偏航加速度。以飞艇1前进方向为基准，步骤S2中，所述调整旋转尾翼装置20的下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度包括：
控制所述下尾翼4-4处在中间位置时，下尾翼4-4不产生偏航力矩，飞艇1沿直线向前飞行，如图6所示。或者，控制所述下尾翼4-4顺时针偏转，受所述推进螺旋桨3的尾流作用，所述下尾翼4-4产生逆时针气动力，推动所述飞艇1在前进方向向左偏转，如图4所示。或者，控制所述下尾翼4-4逆时针偏转，受所述推进螺旋桨3的尾流作用，所述下尾翼4-4产生顺时针气动力，推动飞所述艇在前进方向向右偏转，如图5所示。
基于图2和图3所示的结构，所述调整旋转尾翼装置20的下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度具体包括：所述旋转尾翼装置20的下尾翼旋转驱动部4-2驱动下尾翼旋转轴4-6旋转，所述下尾翼旋转轴4-6带动下尾翼旋转滑块4-5沿下尾翼旋转滑轨4-3滑动，从而带动所述下尾翼4-4旋转。
作为一种示例，所述步骤S3包括：
步骤S31、基于所述下尾翼4-4的旋转方向和旋转角度，通过公式(1)确定飞艇1所需要的偏航力矩M：
M＝0.5ρCdLSv2sin2θcosθ (1)；
步骤S32、基于所述偏转力矩M，通过公式(2)确定对飞艇1产生的偏航加速度
Figure BDA0002519425060000081
为：
Figure BDA0002519425060000082
其中，L为下尾翼4-4与飞艇1质心的距离，S为下尾翼4-4的面积，ρ为飞艇1所在高度的大气密度，Cd为下尾翼4-4的气动阻力系数，θ为可以实时调整的变量是下尾翼4-4的偏转角度，v为推进螺旋桨3在下尾翼4-4处的来流速度，J为飞艇1水平方向旋转惯量；需要说明的是，在飞艇1偏航控制过程中L、S、ρ、Cp和J都是已知的固定参数。
从公式(1)和公式(2)可知，飞艇1偏航加速度与推进螺旋桨3在下尾翼4-4处的尾流速度的平方成正比，也与下尾翼4-4的偏转角度有关。在实际控制飞艇1偏航过程中，可以通过增大推进螺旋桨3的转速或改变下尾翼4-4的偏转角度进行飞艇1不同速度的偏航控制。
本发明实施例还提供了一种飞艇，其包括本发明实施例所述的用于平流层飞艇偏航控制的系统。
本发明实施例充分利用平流层飞艇的动力推进装置10在推进过程中产生的高速尾流，在推进尾流区域内安装一个可以旋转的下尾翼4-4，在飞艇1推进过程中，根据飞艇1控制需要，调整下尾翼4-4的偏转方向和偏转角度，给飞艇1提供不同方向和不同大小的偏航力矩。本发明实施例无需额外增加动力机构，因此无需增加整套飞艇1系统的重量，减少了飞艇1偏航控制时消耗的能源，提高了飞艇1偏航控制的效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于平流层飞艇偏航控制的系统，其特征在于，包括：
动力推进装置，安装在飞艇上，用于为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；
旋转尾翼装置，安装在所述飞艇上，并位于所述推进尾流区域内，包括可旋转的下尾翼，根据飞艇所需偏航力矩，实时调整所述下尾翼的旋转方向和旋转角度，在所述推进尾流区域形成飞艇所需要的偏航力矩，对飞艇进行偏航控制；
所述动力推进装置包括：
推进支架，安装在所述飞艇的腹部；
推进电机，安装在所述推进支架上，为推进螺旋桨提供动力；
推进螺旋桨，安装在所述推进电机上，通过旋转为飞艇提供气动力，旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域；
所述旋转尾翼装置包括下尾翼安装支架、下尾翼旋转驱动部、下尾翼旋转滑轨、下尾翼旋转滑块和下尾翼旋转轴，其中，下尾翼安装支架安装在所述飞艇上，并位于所述推进螺旋桨尾流区域内，为下尾翼的安装提供一个刚性支撑；下尾翼旋转驱动部安装在所述下尾翼安装支架上，与下尾翼旋转轴相连接，用于驱动所述下尾翼旋转轴旋转；下尾翼旋转滑轨安装在所述下尾翼安装支架上，下尾翼旋转滑轨为刚性结构；下尾翼旋转滑块位于所述下尾翼旋转滑轨上，能够沿所述下尾翼旋转滑轨滑动；下尾翼旋转轴与所述下尾翼旋转滑块相连接，下尾翼由下尾翼旋转轴、下尾翼旋转驱动部和下尾翼旋转滑块固定，通过所述下尾翼旋转轴带动所述下尾翼旋转滑块沿所述下尾翼旋转滑轨滑动，从而带动所述下尾翼旋转，下尾翼旋转轴是整个下尾翼的旋转中心。
2.根据权利要求1所述的用于平流层飞艇偏航控制的系统，其特征在于，
所述下尾翼为张拉膜结构或刚性框架结构。
3.一种基于权利要求1-2中任意一项所述的平流层飞艇偏航控制的系统的平流层飞艇偏航控制的方法，其特征在于，包括：
动力推进装置为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域；
根据飞艇所需偏航力矩实时调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度；
基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度在所述推进尾流区域内形成飞艇所需要的偏航力矩，对所述飞艇进行偏航控制。
4.根据权利要求3所述的平流层飞艇偏航控制的方法，其特征在于，
所述动力推进装置为飞艇提供推进动力，并在推进过程中形成推进尾流区域，包括：
动力推进装置的推进螺旋桨旋转为飞艇提供相对来流的气动推力，推进所述飞艇移动，所述推进螺旋桨旋转过程中形成推进螺旋桨尾流区域。
5.根据权利要求4所述的平流层飞艇偏航控制的方法，其特征在于，
以飞艇前进方向为基准，所述调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度包括：
控制所述下尾翼处在中间位置时，不产生偏航力矩，飞艇沿直线向前飞行；
或者，
控制所述下尾翼顺时针偏转，受所述推进螺旋桨的尾流作用，所述下尾翼产生逆时针气动力，推动所述飞艇在前进方向向左偏转；
或者，
控制所述下尾翼逆时针偏转，受所述推进螺旋桨的尾流作用，所述下尾翼产生顺时针气动力，推动飞所述艇在前进方向向右偏转。
6.根据权利要求 4 所述的平流层飞艇偏航控制的方法，其特征在于，
所述调整旋转尾翼装置的下尾翼的旋转方向和旋转角度包括：
所述旋转尾翼装置的下尾翼旋转驱动部驱动下尾翼旋转轴旋转，所述下尾翼旋转轴带动下尾翼旋转滑块沿下尾翼旋转滑轨滑动，从而带动所述下尾翼旋转。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的平流层飞艇偏航控制的方法，其特征在于，
所述基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度在所述推进尾流区域形成飞艇所需要的偏航力矩，对飞艇进行偏航控制，包括：
基于所述下尾翼的旋转方向和旋转角度，通过公式(1)确定飞艇所需要的偏航力矩M：
M＝0.5ρCdLSv2sin2θcosθ (1)
基于所述偏航 力矩M，通过公式(2)确定对飞艇产生的偏航加速度
Figure FDA0003103026770000031
为：
Figure FDA0003103026770000032
其中，L为下尾翼与飞艇质心的距离，S为下尾翼的面积，ρ为飞艇所在高度的大气密度，Cd为下尾翼的气动阻力系数，θ是下尾翼的偏转角度， 为可以实时调整的变量，v为推进螺旋桨在下尾翼处的来流速度，J为飞艇水平方向旋转惯量；
基于所述偏航 力矩M和偏航加速度
Figure FDA0003103026770000033
对飞艇进行偏航控制。
8.一种飞艇，其特征在于，包括权利要求1-2中任意一项所述的用于平流层飞艇偏航控制的系统。
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