CN112507636A - 参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于平流层飞艇技术领域，提供一种参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，首先进行氦气质量和泄漏率参数的计算；其次基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，基于氦气泄漏率参数，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度和飞艇的纵向运动，获得飞艇的高度值；最后依据飞艇高度，判断飞艇是否浮重失衡。本发明基于氦气的泄漏状态，由此获取飞艇的驻空高度，通过驻空高度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保障支持。

Description

参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法

技术领域

本发明属于平流层飞艇技术领域，特别涉及一种多囊体平流层飞艇浮重平衡在线评估方法。

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能力指标之一，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。

有别于单囊体飞艇，多囊体平流层飞艇除了氦气囊之外，还有空气囊，用于调节飞艇浮重，维持飞艇气动外形。多囊体平流层飞艇飞行时，始终处于保形的状态。空气囊的存在使得飞艇的动力学模型和热力学模型更加复杂，计算过程也更加繁琐。

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，但是对于多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，对于多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

本发明的目的是要解决多囊体平流层飞艇的在线评估和参数适应的技术问题。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明提供一种参数自适应的多囊体平流层飞艇浮重平衡在线评估方法，包括如下步骤：

步骤一、氦气质量和泄漏率参数的计算

假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为T_He，遥测内外压差为ΔP_He，飞艇内部空气囊内空气温度为T_air，内外压差为ΔP_air,外部大气压力经查询气象信息为P_atm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为P_atm+ΔP_He,空气囊内气压为P_atm+ΔP_air；由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：

其中，ρ_He为氦气密度，M_He＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，M_air＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；

驻空阶段，多囊体飞艇浮力为

B＝ρ_atmV_airshipg (3)

其中，ρ_atm为飞艇驻空高度处的大气密度，V_airship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。

飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和；

G＝(m_net+m_air+m_He)g＝(m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He)g (4)

驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于重力，即：

ρ_atmV_airship＝m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He (5)

多囊体飞艇始终维持气动外形，氦气体积和空气体积之和为飞艇的总体积，即

V_airship＝V_air+V_He (6)

(5)(6)式联立，即可求得氦气体积和空气体积分别为：

V_air＝V_airhsip-V_He (8)

氦气和空气的质量分别为：

m_He＝ρ_HeV_He (9)

m_air＝ρ_airV_air (10)

为了形成参数自适应，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，利用公式(9)、(10)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、基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，基于步骤一获得的氦气泄漏率参数，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度和飞艇的纵向运动，获得飞艇的高度值；

进一步的，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、内部氦气和空气的热交换。

步骤三、多囊体平流层飞艇的浮重平衡评估

根据飞艇高度，即可判断飞艇浮重失衡，当多囊体飞艇高度降低到设定高度以下即可认为飞艇浮重失衡。

本发明的有效收益为：

1、本发明针对多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，可以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，由此获取飞艇的驻空高度，通过驻空高度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保障支持。

附图说明

图1为平流层飞艇浮重平衡评估流程示意图；

图2为平流层飞艇热环境示意图；

图3为平流层飞艇内部氦气温度计算结果；

图4为平流层飞艇飞行高度计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，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所述实施例。

本发明的流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、氦气质量和泄漏率参数计算

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，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。飞艇驻空飞行过程中，可根据遥测数据，实时获取飞艇内部气体的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气和空气的质量、拟合飞艇的氦气泄漏率。

假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为T_He，遥测内外压差为ΔP_He，飞艇内部空气囊内空气温度为T_air，内外压差为ΔP_air,外部大气压力经查询气象信息为P_atm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为P_atm+ΔP_He,空气囊内气压为P_atm+ΔP_air。由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：

其中，ρ_He为氦气密度，M_He＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，M_air＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数。

多囊体飞艇飞行时，始终处于保形的状态，飞艇体积始终为最大设计体积，因此，需要确定氦气和空气的体积占比，才能计算的到囊体内部氦气和空气的质量。

驻空阶段，多囊体飞艇浮力为

B＝ρ_atmV_airshipg (3)

其中，ρ_atm为飞艇驻空高度处的大气密度，V_airship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。

飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和。

G＝(m_net+m_air+m_He)g＝(m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He)g (4)

驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于重力。即：

ρ_atmV_airship＝m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He (5)

多囊体飞艇始终维持气动外形，氦气体积和空气体积之和为飞艇的中体积，即

V_airship＝V_air+V_He (6)

(5)(6)式联立，即可求得氦气体积和空气体积分别为：

V_air＝V_airhsip-V_He (8)

氦气和空气的质量分别为：

m_He＝ρ_HeV_He (9)

m_air＝ρ_airV_air (10)

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、基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，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和飞艇的纵向运动。

如图2所示，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、内部氦气和空气的热交换。

通过如(3)所示的热力学微分方程组，获取飞艇内部氦气和空气的温度和高度曲线。

其中，

分别为上部囊体，下部囊体和氦气和空气的温度变化率；m_f为囊体质量，C_f为囊体比热容；m_He为氦气质量，C_He为氦气比热容；m_air为空气质量，C_air为空气比热容,V_He为囊体内部氦气体积，V_air为囊体内部空气体积，P_He为囊体内部氦气压力，P_air为囊体内部空气压力。

上部囊体热方程中，Q_dn为上部囊体太阳直射的热量，Q_sUp为上部囊体太阳散热热量，Q_IRskyUp上部囊体天空红外热量，Q_IRFlimUp为上部囊体向外辐射的热量，Q_ceUp为上部囊体外部对流带走的热量，Q_HeIntFreeUp为氦气对流从上部囊体内部带走的热量，Q_AirIntFreeUp为内部空气对流从上部囊体内部带走的热量。

下部囊体热方程中，Q_sDown为下部囊体太阳散热热量，Q_RDown为地面发射热量，Q_IRskyDown为下部囊体天空红外热量，Q_IRGround地面红外反射带来的热量，Q_IRFlimDown为下部囊体向外辐射的热量，Q_ceDown为下部囊体外部对流带走的热量，Q_{HeIntFreeDown}为氦气对流从上部囊体内部带走的热量，Q_{AirIntFreeDown}为内部空气对流从上部囊体内部带走的热量。

氦气热方程中，Q_ciHe为内部氦气对流带来的热量,Q_HeToAir为氦气到空气的热交换。

空气热方程中，Q_ciAir为内部空气对流带来的热量。

纵向运动方程中，h为飞艇高度，B为飞艇的浮力，为飞艇排开空气的质量，G为飞艇的总重，为飞艇内部空气、氦气和飞艇的结构质量之和，Z为飞艇纵向运动的气动阻力。

步骤三、多囊体平流层飞艇的浮重平衡评估

根据飞艇高度，即可判断飞艇浮重失衡，通常，多囊体飞艇高度降低到设定高度以下即可认为飞艇浮重失衡。

实施例1

参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，包括以下步骤：

平流层飞艇驻空飞行过程中，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)氦气质量和泄漏率参数计算

某多囊体平流层飞艇驻空阶段某时刻，根据遥测数据，氦气温度为-51.8℃，空气温度为-38.7℃，压差为200Pa，驻空高度为18017m。根据当天气象数据，该高度对应的大气压力为7930Pa，环境温度为-62.1℃。以此可以计算出飞艇内部氦气、空气和驻空高度大气密度分别为：

该飞艇的最大体积为63700m³，结构质量为6400kg，则飞艇内部氦气体积为

V_air＝V_airhsip-V_He＝3955m³

氦气和空气的质量为：

m_He＝ρ_HeV_He＝997.7kg

m_air＝ρ_airV_air＝450kg

取氦气质量数据和之前的30分钟内获得氦气质量数据进行线性拟合，得到氦气泄漏率为-50kg/h。

(2)动力学和热力学计算

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。

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，高度曲线图如图4所示。

(3)评估飞艇浮重失衡时间

该平流层飞艇浮重失衡判据为飞行高度低于17000m，根据计算得到的飞艇高度曲线可知，当前时间点4.59小时后，飞艇飞行高度低于17000m，将出现浮重失衡。

飞艇飞行过程中，可以根据遥测数据实时计算飞艇的高度和温度曲线，评估浮重失衡时间，飞艇越接近浮重失衡，计算越准确。

Claims (2)

1.参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、氦气质量和泄漏率参数的计算

假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为T_He，遥测内外压差为ΔP_He，飞艇内部空气囊内空气温度为T_air，内外压差为ΔP_air，外部大气压力经查询气象信息为P_atm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为P_atm+ΔP_He，空气囊内气压为P_atm+ΔP_air；由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：

其中，ρ_He为氦气密度，M_He＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，M_air＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；

驻空阶段，多囊体飞艇浮力为

B＝ρ_atmV_airshipg (3)

其中，ρ_atm为飞艇驻空高度处的大气密度，V_airship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。

飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和；

G＝(m_net+m_air+m_He)g＝(m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He)g (4)

驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于重力，即：

ρ_atmV_airship＝m_net+ρ_airV_air+ρ_HeV_He (5)

多囊体飞艇始终维持气动外形，氦气体积和空气体积之和为飞艇的总体积，即

V_airship＝V_air+V_He (6)

(5)(6)式联立，即可求得氦气体积和空气体积分别为：

V_air＝V_airhsip-V_He (8)

氦气和空气的质量分别为：

m_He＝ρ_HeV_He (9)

m_air＝ρ_airV_air (10)

利用公式(9)、(10)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、基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，基于所述步骤一获得的氦气泄漏率参数，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度和飞艇的纵向运动，获得飞艇的高度值；

步骤三、多囊体平流层飞艇的浮重平衡评估

根据飞艇高度，即可判断飞艇浮重失衡，当多囊体飞艇高度降低到设定高度以下即可认为飞艇浮重失衡。

2.根据权利要求1所述的参数自适应多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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