CN112487559A - 参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法 - Google Patents

参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及平流层飞艇技术领域，提供一种参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，首先根据遥测数据，实时获取飞艇的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气质量、拟合飞艇的氦气泄漏率；然后基于平流层飞艇的热力学环境构建单囊体平流层飞艇热力学模型，利用关键参数的在线修正值，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气的温度；再次进行单囊体平流层飞艇压差的计算；最后利用飞艇压差，完成对飞艇浮重的在线评估。本发明基于氦气的泄漏状态，可预估飞艇的后续可驻空时长，为飞艇的飞行决策提供了有力的支持。

Description

参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法
技术领域
本发明涉及平流层飞艇技术领域，特别涉及单囊体平流层飞艇浮重平衡的评估方法。
背景技术
平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，它依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操控飞行。平流层飞艇部署于平流层高度空间，侦察范围广，不易受到攻击。作为一种新型的运载平台，其搭载不同功能载荷时，可执行侦察预警、通信中继等任务，军用和民用领域有巨大的应用前景。
平流层飞艇的驻空时间是平流层飞艇的关键指标之一。在平流层飞艇飞行过程中，对浮重平衡的评估既是对飞艇指标的评估，也是一种飞行趋势的预测，可提前预测得到飞艇浮重失衡时间，为飞行决策提供支持。
单囊体飞艇只有一个氦气囊，采用非成型上升和非成型下降的方式起降。升空过程中，氦气囊不断膨胀，达到驻空阶段后，飞艇囊体体积达到最大设计体积，维持气动外形驻空。
目前，在平流层飞艇仿真领域，平流层飞艇的热力学模型仿真和动力学仿真均有成熟技术研究，但是对于单囊体平流层飞艇的浮重平衡的评估标准、评估方法少有研究，对于单囊体平流层飞艇的在线评估和参数适应未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决单囊体平流层飞艇浮重平衡的在线评估的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡在线评估方法，具体包括如下步骤：
步骤一、关键参数的在线修正
氦气质量和氦气泄漏率为飞艇浮重失衡的关键参数，根据遥测数据，实时获取飞艇的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气质量、拟合飞艇的氦气泄漏率；
假定飞艇内氦气遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔP，外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔP；由理想气体方程(1)，可以计算得到飞艇内部氦气密度为：
Figure BDA0002815115110000021
其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；
驻空阶段，飞艇体积为最大体积，则氦气质量余量为
mHe＝ρHeVmax (2)
为了形成关键参数自适应，即飞艇驻空飞行过程中，氦气泄漏率和氦气的余量需要不停的进行实时的更新迭代，因此根据氦气余量实时变化曲线，依据飞艇回传的温度、压差数据，采用公式(2)可以对飞艇的氦气余量和氦气泄露率进行实时的持续计算和修正，采用氦气余量区域趋于稳定变化时间段内的氦气余量进行线性拟合，即可得到氦气泄漏率参数；
步骤二、基于平流层飞艇的热力学环境构建单囊体平流层飞艇热力学模型，利用步骤一的关键参数的在线修正值，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气的温度；
步骤三、单囊体平流层飞艇压差的计算
单囊体平流层飞艇压差为内外压力之差，外部压差Patm可由飞艇驻空高度的气象数据插值获得，内部压差需采用理想气体方程(3)求解，
Figure BDA0002815115110000022
压差即为：
ΔP＝PHe-Patm (4)
步骤四、单囊体平流层飞艇的浮重平衡评估
利用步骤三所得的飞艇压差，对飞艇的浮重进行评估，当平流层飞艇压差小于最低维持外形压差时，平流层飞艇将出现浮重失衡，ΔP＜ΔPmin时对应的时间即为飞艇浮重失衡时间。
本发明的有效收益是：
1、本发明针对单囊体平流层飞艇驻空飞行过程中氦气泄漏导致的浮重失衡问题进行评估分析，因为平流层飞艇体积大，表面积也大，飞艇囊体通常不能完全防止氦气的泄露发生，发现氦气是飞艇驻空飞行的浮力来源，氦气泄漏会导致飞艇浮力不足，浮重失衡，飞艇无法维持驻空状态而进入下降程序；
2、本发明通过平流层飞艇驻空过程中获取遥测参数中的温度、压力等数据，对飞艇中的氦气余量和氦气泄露率进行分析计算，给出了单囊体平流层飞艇浮重失衡的判断依据，形成了关键参数的自适应，可有效评估飞艇内部的氦气余量和氦气泄漏率；
3、本发明基于氦气的泄漏状态，可预估飞艇的后续可驻空时长，为飞艇的飞行决策提供了有力的支持。
附图说明
图1为本发明平流层飞艇浮重平衡评估流程示意图；
图2为本发明平流层飞艇热环境示意图；
图3为本发明平流层飞艇内部氦气温度计算结果示意图；
图4为本发明平流层飞艇压差计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的阐述和说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、关键参数的在线获取及修正
氦气质量和氦气泄漏率为飞艇浮重失衡的关键参数，根据遥测数据，实时获取飞艇的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气质量、拟合飞艇的氦气泄漏率。
在平流层飞艇驻空飞行过程中，飞艇的氦气泄漏是飞艇浮重失衡的主要原因，因此认为飞艇内部现有氦气质量和氦气泄漏率为飞艇浮重失衡的关键参数，本发明的第一步就是要对这些关键参数进行在线修正。
假定飞艇内氦气遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔP，外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔP。由理想气体方程(1)，可以计算得到飞艇内部氦气密度为：
Figure BDA0002815115110000041
其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数。
驻空阶段，飞艇体积为最大体积，则氦气质量余量为
mHe＝ρHeVmax (2)
飞艇驻空飞行过程中，艇上传感器数据会通过遥测链路持续传输至地面控制站。根据飞艇回传的温度、压差等数据，采用上述公式(2)可以对飞艇的氦气余量和氦气泄露率进行实时的持续计算和修正，飞艇驻空时间越长、可用于拟合氦气泄露率的数据量越多，氦气泄漏的规律越明显，能更加准确的评估飞艇的后续可驻空时长。
因此根据氦气余量实时变化曲线，采用氦气余量区域稳定变化时间段内的氦气余量进行线性拟合，即可得到氦气泄漏率参数。
步骤二、基于平流层飞艇的热力学环境构建单囊体平流层飞艇热力学模型，基于遥测温度压力条件和计算、拟合得到的飞艇氦气质量和氦气泄漏率参数作为初值，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度。
如图2所示，这里的热力学环境主要包含太阳辐射、太阳散射、地面太阳反射、地面红外辐射、天空红外辐射、囊体对外的红外辐射、外部大气与囊体之间的强制对流和自然对流、内部氦气与囊体之间的自然对流等。
步骤三、单囊体平流层飞艇压差的计算
单囊体平流层飞艇压差为内外压力之差，外部压差Patm可由飞艇驻空高度的气象数据插值获得，内部压差需采用理想气体方程(3)求解。
Figure BDA0002815115110000051
压差即为：
ΔP＝PHe-Patm (4)
步骤四、单囊体平流层飞艇的浮重平衡评估
利用步骤三获得的飞艇压差，对飞艇的浮重进行评估，具体的理由陈述如下：
飞艇的净浮力为飞艇的浮力减去飞艇结构质量和飞艇内部气体的质量产生的重力，可以采用公式(5)计算：
B＝ρatmVairshipg-(mnet+mHe0-ΔmHe)g (5)
其中，B为飞艇的净浮力，g为重力加速度，ρatm为飞艇所在高度的空气密度，Vairship为飞艇的体积，mnet为飞艇的结构质量，mHe0为飞艇内氦气质量初值，ΔmHe为飞艇氦气泄漏量。
单囊体飞艇驻空飞行时，依靠内外压差维持飞艇外形，当压差大于维持外形所需的最小压差时，即ΔP≥ΔPmin时，飞艇体积不变，为最大体积，即Vairship＝Vmax，所以，飞艇白天飞行时，由于飞艇在太阳辐射的作用下温度较高，虽然存在氦气泄漏，但是压差依然可以维持在较高的水平，此时飞艇体积不变，飞艇的浮力仅与此时外部空气的密度有关，飞艇氦气泄漏导致氦气质量下降，此时，净浮力由于氦气质量的下降而升高。飞艇的驻空高度会有略微的上升。
昼夜转换时，随着温度的急剧下降，将导致飞艇压差的急剧下降，若压差小于维持体积的最低压差，即ΔP＜ΔPmin时，飞艇体积出现缩小，飞艇净浮力下降，驻空高度将下降。飞艇不能保形时，飞艇的体积已不能以最大飞艇体积计算，此时，飞艇的体积可采用质量与密度之比即公式(6)计算。
Vairship＝(mHe0-ΔmHe)/ρHe (6)
由于此时飞艇压差较小(通常几十Pa)，而外部环境气压较大(几千Pa)，所以我们可以近似的认为飞艇内外部气压相等，即：PHe≈Patm。
联立以上公式(5)、(6)，则飞艇净浮力公式变化为(7)：
Figure BDA0002815115110000061
由于理想气体方程(8)可知:
Figure BDA0002815115110000062
单囊体飞艇压差无法为维持一般为下午和昼夜交替的时间段内，此时THe呈下降趋势，随着ΔmHe增大，此时净浮力B持续减小，所以单囊体飞艇一旦高度下降，净浮力为负值，则净浮力将一直处于负值状态，飞艇高度会一直下降，飞艇将出现浮重失衡现象。
因此，我们可以将单囊体飞艇的压差作为为评估飞艇浮重平衡的关键参数，即平流层飞艇压差小于最低维持外形压差时，平流层飞艇将出现浮重失衡，ΔP＜ΔPmin时对应的时间即为飞艇浮重失衡时间。
根据遥测数据可实时计算飞艇压差，评估飞艇浮重失衡时间，越接近飞艇浮重失衡，计算结果越准确。
实施例1
参数自适应单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，包括以下步骤：
平流层飞艇飞行过程中，需根据飞艇的设计参数和遥测数据计算分析得到飞艇的热力学输入参数和浮重平衡分析输入参数，依据此参数进行热力学计算和压差计算，得到飞艇压差小于最低维持压差的时间。
具体为：
(1)根据遥测数据计算平流层飞艇内部氦气余量，拟合氦气泄漏率参数
某单囊体平流层飞艇驻空飞行阶段某时刻，根据遥测数据，氦气温度为-60.5℃，压差为333Pa，驻空高度为18560m，根据当天气象数据，该高度对应的大气压力为6850Pa。以此可以计算出飞艇内部氦气密度为：
Figure BDA0002815115110000071
该飞艇的最大体积为16800m3，则飞艇内部氦气质量为mHe＝ρHeVmax＝273.02kg。
取该数据和之前的1h内获得氦气质量数据进行线性拟合，可以得到该直线斜率为-1.23，即氦气泄漏率为-1.23kg/h。
(2)热力学计算
将计算得到的氦气质量和泄漏率作为飞艇热力学计算初始参数，结合飞艇设计参数和热力学方程进行计算。
飞艇的热力学方程为：
Figure BDA0002815115110000081
其中，
Figure BDA0002815115110000082
分别为上部囊体，下部囊体和氦气的温度变化率；mf为囊体质量，Cf为囊体比热容；mHe为氦气质量，CHe为氦气比热容。
上部囊体方程中，Qdn为上部囊体太阳直射的热量，QsUp为上部囊体太阳散热热量，QIRskyUp上部囊体天空红外热量，QIRFlimUp为上部囊体向外辐射的热量，QceUp为上部囊体外部对流带走的热量，QintFreeUp为上部囊体内部对流带走的热量。
下部囊体方程中，QsDown为下部囊体太阳散热热量，QRDown为地面发射热量，QIRskyDown为下部囊体天空红外热量，QIRGround地面红外反射带来的热量，QIRFlimDown为下部囊体向外辐射的热量，QceDown为下部囊体外部对流带走的热量，QintFreeUp为下部囊体内部对流带走的热量。
氦气方程中，Qci为内部对流带来的热量。
计算采用龙格-库塔方法进行计算，得到的飞艇温度曲线如图3所示。
(3)压差计算
根据公式(1)计算此后一段时间内飞艇内部氦气的压力，结果如图4所示。公式中氦气质量mHe由泄漏率和初始氦气质量计算得到。温度THe为热力学计算结果，其余参数为常数。
(4)评估飞艇浮重失衡时间
该飞艇设计维持飞艇外形所需的最小压差为70Pa，根据计算得到的飞艇压差曲线可知，约18.33小时后飞艇计算压差小于70Pa，此时，飞艇将出现浮重失衡。
根据遥测数据可实时计算飞艇压差，评估飞艇浮重失衡时间，越接近飞艇浮重失衡，所计算结果越准确。

Claims (2)

1.参数自适应的单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一、关键参数的在线修正
氦气质量和氦气泄漏率为飞艇浮重失衡的关键参数，根据遥测数据，实时获取飞艇的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气质量、拟合飞艇的氦气泄漏率；
假定飞艇内氦气遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔP，外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔP；由理想气体方程(1)，可以计算得到飞艇内部氦气密度为：
Figure FDA0002815115100000011
其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；
驻空阶段，飞艇体积为最大体积，则氦气质量余量为
mHe＝ρHeVmax (2)
根据飞艇回传的温度、压差数据，采用公式(2)可以对飞艇的氦气余量和氦气泄露率进行实时的持续计算和修正，根据氦气余量实时变化曲线，采用氦气余量区域趋于稳定变化时间段内的氦气余量进行线性拟合，即可得到氦气泄漏率参数；
步骤二、基于平流层飞艇的热力学环境构建单囊体平流层飞艇热力学模型，利用所述步骤一的关键参数的在线修正值，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气的温度；
步骤三、单囊体平流层飞艇压差的计算
单囊体平流层飞艇压差为内外压力之差，外部压差Patm可由飞艇驻空高度的气象数据插值获得，内部压差需采用理想气体方程(3)求解，
Figure FDA0002815115100000021
压差即为：
ΔP＝PHe-Patm (4)
步骤四、单囊体平流层飞艇的浮重平衡评估
利用所述步骤三所得的飞艇压差，对飞艇的浮重进行评估，当平流层飞艇压差小于最低维持外形压差时，平流层飞艇将出现浮重失衡，ΔP＜ΔPmin时对应的时间即为飞艇浮重失衡时间。
2.根据权利要求1所述的参数自适应单囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，其特征在于，步骤二所述热力学环境包括太阳辐射、太阳散射、地面太阳反射、地面红外辐射、天空红外辐射、囊体对外的红外辐射、外部大气与囊体之间的强制对流和自然对流、内部氦气与囊体之间的自然对流、内部氦气和空气的热交换。
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