平流层飞艇表面接收太阳能的建模与分析

平流层飞艇依靠艇载自主光伏发电系统摄取太阳辐射能来达到长期自主飞行和悬停,可应用于无线通信、空间观测和军事侦察等领域,成为当前各国研究的热点之一.分析和计算飞艇表面接收的太阳辐射能是光伏系统设计的基础.文中首先建立飞艇表面接收的辐射能量数学模型,它描述了飞艇的工作纬度、飞行方向、表面形状和接收的太阳辐射能量的关系.然后模拟分析飞艇的工作纬度、飞行方向和表面形状对接收的辐射能量的作用.结果表明:飞艇的工作纬度和飞行方向影响飞艇表面接收的辐射能量的大小和时间分布;飞艇表面的不同部分接收的辐射能量是不同的,在飞艇表面合理覆盖光伏阵列是飞艇光伏系统设计的重要任务.     

平流层飞艇定点气动力计算与仿真分析

研究飞艇定点动力性能分析,关于平流层飞艇动力特性问题是影响系统稳定的关键。为使飞艇能正常工作,必须对气动特性进行精确地分析。根据平流层飞艇的定点飞行特点,考虑空气粘性因素,建立了平流层飞艇的湍流边界层方程,采用动量积分关系式方法,求解飞艇表面摩擦阻力,利用有限元分析软件ANSYS仿真,分析了飞艇的空气动力特性。仿真结果表明,空气黏性对飞艇运动的影响不可忽略,动量积分法可有效解决飞艇摩擦阻力的计算。     

平流层飞艇平台建模与仿真分析

目前,平流层飞艇平台有着极高的经济和军事价值,受到极大关注.以驻守在高空的平流层飞艇平台为研究对象,描述了飞艇的结构和运动形式,采用机理分析法分析其受力情况,在以体积中心为原点的机体坐标系中建立飞艇的六自由度模型.考虑飞艇平台的附加质量,建立非线性六自由度方程.采用小扰动法,对建立的非线性六自由度微分方程线性化,根据设定的初始状态,利用Matlab/Simulink搭建飞艇模型的仿真模块,对模型进行仿真.仿真结果表明:单纯调节一个控制量不能使飞艇稳定,只有联合考虑各输入量才能较好地控制飞艇状态;建立的飞艇模型是恰当的,可以作为浮空飞行器验证模型.     

平流层飞艇外形的设计优化

平流层飞艇是依靠浮力升空的飞行器.飞艇外形对于平流层飞艇的设计至关重要,为了获得能够满足动力结构和重量等各个学科要求的最优艇形,将综合设计优化技术引入到飞艇外形设计中,提出了适用于优化的飞艇外形生成曲线,分析了与外形有关的气动、结构和重量等因素,建立了飞艇气动阻力、表面积和最小环向应力的模型,构造了复合目标函数,并针对某飞艇外形进行了优化设计.仿真结果证明,利用蒙特卡罗算法优化设计后的艇形优于传统艇形.     

平流层演示验证飞艇实时仿真平台设计

在平流层飞艇的设计和研究中,飞行仿真可以有效验汪飞艇的动力学模型、控制器设计,检验飞艇的操纵性、飞行稳定性。同时,实时仿真技术可以提高飞艇性能,缩短研制周期。为解决上述问题,提出通过搭建飞艇的实时仿真平台,实现飞行仿真和实时仿真技术的统一。针对上海交通大学"致远一号"平流层演示验证飞艇,使用xPC target搭建了飞艇的实时仿真平台,完成了利用Simulink软件的动力学建模和控制系统设计,同时利用Flightgear飞行模拟器为仿真系统设计开发了视景仿真系统。进行仿真的结果显示,系统较好的实现了飞艇从上升到返回全过程飞行任务,视景系统直观准确地显示了飞艇在仿真过程中的状态变化,并可以为后续研究工作提供了依据。     

平流层飞艇热性能分析软件开发

为减少平流层飞艇的设计周期和设计试验经费,清晰准确地反映出平流层飞艇空间轨迹和温度场分布以及各种不同因素对轨迹和温度场分布的影响,自主开发了平流层飞艇热性能分析软件.通过建立平流层飞艇运动和热特性模型,利用VC++编程环境,对平流层飞艇在不同输入状态下的上升、浮空、下降过程中的轨迹和温度进行数值仿真,并利用图形显示界面进行显示.软件设计包括参数输入、中间计算和性能分析三个部分.软件将输出结果存储到ACCESS数据库中,增强了数据的可读性和交互性.从软件的运行结果反映出该软件涵盖面广、数据可靠、操作方便、界面生动等特点,达到预期设计目标.     

平流层飞艇试验场测试方法分析

针对平流层飞艇试验场测试需求,在分析飞艇关键系统构成的基础上,给出了试验场主要测试内容与方法,建立了试验场测试条件矩阵,给出了试验场测试项目总体流程;建立试验场测试模式,开展试验场测试系统与飞艇系统间接口设计,可为测试系统建设与试验场测试实施提供技术依据。     

平流层飞艇设备舱的被动温控

研究飞艇平流层温度优化控制问题。由于平流层环境温度较低,平流层飞艇设备舱要进行保温。为解决上述问题,理论分析了以聚苯乙烯泡沫板为保温材料的保温性能,利用Gambit软件进行网格划分、FLUENT软件求解后绘制温度分布剖面图,并采用内蒙古某场站进行飞艇飞行试验,验证设备舱的被动温控效果。同时通过发放探空的方法获取不同情况下的温度数据,对飞艇上升、平飞和下降三个阶段,详细分析不同材料保温效果,并就风速对温度的影响进行仿真,结果得出有益结论。即在选用合适厚度的聚苯乙烯泡沫板作为保温材料时,完全可以达到短时间内的设备舱保温,实现被动温控,为飞艇平流层温控优化提供了依据。     

平流层飞艇太阳能电池布设区域的计算与仿真

针对合理确定薄膜太阳能电池在平流层飞艇上的布设区域,由于能源供应可行性是取决于飞艇接收的太阳辐射量.为了满足电量的需要,设计了一种应用有限元分析前处理模块的数值计算方法.方法结合使用ansys和matlab软件建立系列数学和物理模型计算出艇上薄膜太阳能电池合理的布设区域.对示例飞艇进行了仿真计算,结果表明飞艇的飞行方向、滞空时间等优化飞行参数可使艇上薄膜太阳能电池合理确定布设区域.仿真结果为平流层飞艇薄膜太阳能电池布局规划提供了理论和计算依据.     

平流层飞艇静升力分析

研究飞行器在平流层定点悬停定位问题,平流层飞艇运行环境复杂多变,静升力的确定有一定难度.为保持飞行器飞行到指定高度,采用理论分析方法建立了静升力的数学模型,根据标准大气环境下平流层飞艇总静升力随飞行高度的变化规律,以及实际环境中温度变化对总静升力的影响;分析了净静升力与压差百分比、压力高度处副气囊体积比、温度和飞行高度的变化关系.利用Matlab软件平台进行了仿真分析,结果表明所建立的模型能够准确描述各因素对静升力的影响,从而为平流层飞艇的总体设计提供依据.     

平流层演示验证飞艇可重构控制系统设计

采用加权广义逆方法,设计"致远一号"平流层演示验证飞艇的可重构控制系统,当执行机构发生故障时,不需改变控制律,只需改变操纵效率加权矩阵的权值就可实现快速重构;飞艇配置有混合异类执行机构,各执行机构对飞艇运动存在操纵冗余和驱动耦合;引入间接控制向量,建立执行机构故障类型与操纵效率加权矩阵取值对照表,解决飞艇非线性操纵的控制分配与重构问题。给出系统正常和故障情况下,高度和偏航角跟踪仿真试验。结果表明,系统正常时,各执行机构复合控制飞艇,响应时间最短,实现混合异类执行机构配置下的优化控制分配;当其中一个执行机构故障时,系统仍能实现期望的动态性能,实现快速重构。     

平流层卫星系绳的建模与仿真

研究平流层卫星系绳轨迹建模分析可靠性问题,根据平流层卫星所用系绳的特性,要求高强度和足够的侧向控制力.为此提出了“质量集中-轻质钢杆”模型,并给出模型的求解过程.模型考虑了系绳自身质量及所受气动力,通过迭代计算,可求出系绳形状及系绳张力的变化.在给定轨迹控制器的高度及平衡轨迹控制器所需的拉力大小和方向后,计算出系绳传递到气球的拉力大小及方向,绘制出了系绳的形状.仿真结果表明,“质量集中-轻质钢杆”模型能够符合系绳在风场和自身重力作用下的传递的拉力和自身动态特性,为平流层卫星系绳系统优化设计提供了参考.     

一类“浮力-压块”驱动飞艇建模与分析

针对一类新型"浮力-压块"驱动的自治飞艇,研究了该类飞艇的动力学建模和动力学特性。在Kirchhoff方程和Newton-Euler理论基础上,通过对飞艇运动及受力分析,建立了包括独立气囊和可运动压块的飞艇六自由度非线性动力学模型,并采用小扰动线性化方法,将飞艇运动分别限制在纵向、横侧向和e₂-e₃平面内,得到与之对应的三组飞艇线性化方程,其后基于飞艇相关参数和线性化模型,利用Matlab软件平台对飞艇运动模态和输入响应特性进行了分析研究。仿真结果验证了该类飞艇模型的正确性和理论分析的合理性,为其后控制策略设计提供理论依据。     

基于卫星／平流层飞艇的区域导航系统设计

针对卫星/捷联惯导组合导航系统中卫星信号易受干扰的问题,为提高导航的精度和可靠性,提出了一种新的基于卫星和平流层飞艇的区域导航系统.根据区域导航平台,利用组合导航的模式,建立了同步卫星/捷联惯导/平流层飞艇组合导航的状态方程和量测方程,选取自适应联邦滤波算法作为组合导航的信息融合算法,形成联合滤波器,要以弥补卫星导航中信号易受影响的问题.最后设计开发了区域导航仿真系统,通过数字仿真表明,与卫星/捷联惯导组合导航系统相比,区域导航系统具有较高的导航精度和较好的可靠性.