平流层飞艇上升段高度控制方案
特种飞行器 平流层飞艇
特种飞行器——平流层飞艇
平流层飞艇是具有太阳能循环能源和持续动力，可持久驻留在临近空间，能自主和遥控升空、降落、定点和巡航飞行，可搭载侦测、通讯、导航等多种任务载荷的先进新型浮空飞行器。
平流层飞艇可以作为一种新型的空中信息平台。
平流层飞艇通信中继系统具有传输时延短、损耗小，通信服务区大、覆盖条件好等特点，单个平台即可覆盖面积为80万平方公里的区域，可为地面固定和移动用户提供宽带无线通信服务。
我公司研制的平流层飞艇，重点针对城市管理与监测，产品能携带600kg 重任务载荷，在2-2.4万米的高空持续飞行3个月至1年的平流层飞艇平台，配备相应的监测与通信设备，可执行多种特种任务：实现全天候长期实时高分辨率对地观测、城市安全监控监管应用、宽带无线通信中继和组网应用。
“天眼”高空飞艇设计报告
“天眼”高空飞艇设计报告一、前言临近空间在国际上一般指高于普通航空飞行器，低于轨道飞行器运行空间的空域，大约在地球表面上空20km~100km，最近几年来，由于临近空间巨大的战略价值，越来越受到国际上各个大国的重视，尤其是美国，以色列，欧洲，日本，俄罗斯等传统航空航天强国，我国近年来在临近空间的研究也逐渐受到重视，步入正轨。
随着世界各主要大国提出“空天一体化作战”的构想，未来的战争必然是空提案一体的联合作战体系。
而临近空间作为传统的航空和航天的中间空域，有着巨大的战略价值：在这个空域内，向上可以打击天基作战平台，向下可以打击空基作战平台。
由于其工作高度，又可以避免大多数陆基武器的打击，同时，在通信和预警方面又有着飞机和卫星不可比拟的优势。
长期以来，由于人类技术的限制和该空域复杂的环境特征，尽管在航空和航天领域各国作战系统推陈出新，百花齐放，而在临近空间却几乎一直是人类探索的真空地带。
新世纪以来，随着各国科技的巨大发展，对临近空间环境特征更深入的了解，许多曾经困扰科学家的难题相继被攻克，在各国投入巨大的人力物力财力的情况下，各国都已经取得一定突破，特别是在高空飞艇方面，其中代表性的是美国洛马公司的HAA高空飞艇，英国ATG公司的“SKYCAT”高空无人飞艇。
二、高空飞艇的主要优势目前各国主要把预警机和通信卫星，间谍卫星作为早期预警，通信服务，对地观测方面主要手段。
最近几年，除了英美等国在临近空间成功发展了有通信，侦察，观测等功能的高空飞艇外，各国在临近空间的探索基础处于空白。
那么，为何传统航空航天强国要投入巨大的人力物力发展临近空间飞行器，尤其是高空飞艇呢？以下从几个方面来阐述其优点：1、与其他临近空间飞行比较：目前临近空间飞行器的开发主要集中在高空飞艇，高速临近空间飞行器，高超声速巡航飞行器三个方面。
Ⅰ、高速临近空间飞行器的研究重点是“通用航空飞行器为代表的通用再入飞行器，在美国2003和2004空军转型计划中，明确提出了CA V等远程超高速攻击武器。
中科院：2020年完成平流层飞艇2万米高度驻留试验
中科院：2020年完成平流层飞艇2万米高度驻留试验2016年8月31日，中国科学院在北京召开新闻发布会，发布《中国科学院“十三五”发展规划纲要》。
计划到2020年研制出长航时，长驻空动力飞行平流层飞艇系统，突破核心关键技术，成功实施2万米高度驻留试验。
2016年8月31日，中国科学院在北京召开新闻发布会，发布《中国科学院“十三五”发展规划纲要》。
中科院院长白春礼介绍了编制“十三五”规划的总体考虑和发展规划的主要目标。
到2020年，中科院到2020年将实现60个创新科研项目重大突破。
其中，在光电空间项目中，我国2020年将实现平流层飞艇2万米高度驻留，并掌握一定载荷能力可控飞艇作业平台技术。
中科院重大科技任务局局长王越超在发布会上做了详细的介绍。
目前，中国在平流层飞艇技术方面属于世界领先水平，中科院近期刚刚成功进行了不同尺寸艇身的放飞试验。
到2020年研制出长航时，长驻空动力飞行平流层飞艇系统，突破核心关键技术，成功实施2万米高度驻留试验，在国际上率先掌握在平流层高度具备一定载荷能力的可控飞艇作业平台技术。
平流层飞艇是国际上发展的一个热点，它可以定点在2万米以上的高空，执行长时间对地侦察和监视任务，在军民用领域都有广泛的用途。
平流层是指20-50公里左右的大气层，这里气象条件下比较稳定，日照时间长，并且处于大多数战斗机和防空系统的射高范围之外，适合飞行器长时间驻留。
而平流层飞艇与卫星或飞机相比，具备较多的优势：与卫星相比，平流层飞艇距离地面较近，载荷相对较大，并且可以得到较高的分辨率。
与飞机相比，平流层飞艇距离地面高度较大，目前预警机对地的雷达视距大约在400公里左右，而平流层飞艇最多可以达到1000公里，是后者的2倍左右。
平流层飞艇还有一个大优点：可以长时间在某一个地点驻留长达数天、数月甚至更长时间，相比较而言，卫星和预警机想保留对一个地方进行全天监视，难度非常大，费用也非常高昂。
目前世界各国如美国、日本、英国、德国、以色列等都在发展平流层飞艇。
平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析
平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析
平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析
平流层飞艇优化设计对飞艇体积、重量、成本、工作能力、承载能力等有重要影响.提出采用总重最小的优化目标对平流层飞艇进行优化,给出了平流层飞艇总体参数估算方法,建立了平流层飞艇优化流程,编制了计算程序,并对平流层飞艇进行了尺寸优化.分析表明:(1)为达到最小代价(总重或成本)的目标,平流层飞艇设计不能片面追求阻力最小或者浮力最大,应综合考虑浮力与推力,进行尺寸优化;(2)平流层飞艇运行地理纬度、在一年中的运行时段、抗风能力、有效载荷重量、再生燃料电池比能量、蒙皮比重量等参数对飞艇优化设计尺寸有重要的影响.
作者：姚伟李勇王文隽郑威 YAO Wei LI Yong WANG Wen-jun ZHENG Wei 作者单位：中国空间技术研究院研究发展中心,北京,100094 刊名：宇航学报ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2007 28(6) 分类号：V247 关键词：平流层飞艇总体优化参数分析。
平流层飞艇平台姿态控制研究
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平流层飞艇平台姿态控制研究
图清单
图 2.1 平流层飞艇基本构型....................................................................................................... 12 图 3.1 坐标系的转动顺序 Z-Y-X ............................................................................................... 25 图 3.2 随机线性离散系统卡尔曼滤波器结构图 ....................................................................... 33 图 3.3 Kalman 滤波的两个计算回路和两个更新过程方框图 .................................................. 34 图 3.4 卡尔曼滤波定姿算法示意图 ........................................................................................... 39 图 3.5 姿态角估计误差............................................................................................................... 40 图 3.6 陀螺漂移估计................................................................................................................... 41 图 4.1 飞艇姿态控制系统原理方框图 ....................................................................................... 42 图 4.2 区域 S (α , r , ϑ ) ................................................................................................................ 45 图 4.3 飞艇俯仰姿态控制系统................................................................................................... 48 图 4.4 修正初始偏差角过程....................................................................................................... 50 图 4.5 修正过程的控制输入....................................................................................................... 50 图 4.6 跟踪给定参考输入过程................................................................................................... 51 图 4.7 跟踪过程的控制输入....................................................................................................... 51 图 4.8 初始扰动抑制过程........................................................................................................... 52 图 4.9 扰动抑制过程的控制输入 ............................................................................................... 52 图 4.10 模型参数变化且 U 0 = 4m / s 时系统跟踪参考输入过程 ........................................... 53 图 4.11 模型参数变化且 U 0 = 4m / s 时跟踪过程的控制输入 ............................................... 53 图 4.12 模型参数变化且 U 0 = 12m / s 时系统跟踪参考输入过程 ......................................... 54 图 4.13 模型参数变化且 U 0 = 12m / s 时跟踪过程的控制输入 ............................................. 54 图 4.14 r = 5 时横向阵风作用下的稳定过程 .......................................................................... 57 图 4.15 r = 5 时横向阵风作用下稳定过程控制输入............................................................... 57 图 4.16 r = 1 时横向阵风作用下的稳定过程 ........................................................................... 58 图 4.17 r = 1 时横向阵风作用下稳定过程控制输入 ............................................................... 58 图 4.18 r = 1/ 5 时横向阵风作用下的稳定过程 ...................................................................... 59 图 4.19 vm = 2.6m / s 时飞艇姿态变化过程 ............................................................................ 59 图 4.20 vm = 2.6m / s 时飞艇控制输入 .................................................................................... 60
高空飞艇高度控制系统设计及仿真
高空飞艇高度控制系统设计及仿真凡永华;于云峰;闰杰【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(11)24【摘要】The high altitude airship can not have desired performance to control the altitude rapidly and accurately when the elevator and ancillary air bursa charge or deflation are used only, because the elevator has few efficiency when the velocity is low, and auxiliary ballonet charge or deflation control is very slow. A method is presented to design altitude control system for a high altitude airship using auxiliary ballonet charge or deflation and elevator combination control. This combination control scheme is that the ancillary air bursa and elevator are also used to control the airship attitude to get large raise velocity and the ancillary air bursa control is used to adjust the airship altitude for suspension. In this paper, a high altitude airship model with compound control of elevator and ancillary air bursa charging and deflation is given firstly. Then the optimum control is depicted to design the altitude control system for a high altitude airship. Finally, it has been proved by simulation that the attitude control system has desirable performance and the compound control scheme is feasible.%高空飞艇在上升和下降阶段时单独的空气舵控制或副气囊充放气操纵都难以实现飞艇的快速爬升和悬停的要求.针对高空飞艇纵的控制操纵特点,提出了采用副气囊充放气和空气舵组合控制的高空飞艇高度控制方案.当高度存在大误差时,采用副气囊和空气舵组合控制改变飞艇的姿态实现快速爬升或下降；当接近悬停高度时,主要采用副气囊充放气进行高度调整,从而实现高度的大范围控制.首先完成了采用组合控制的高空飞艇动力学建模；然后,基于最优控制对高空飞艇纵向高度控制系统进行了设计；最后给出了高空飞艇高度控制系统的仿真验证.结果表明所提出的高空飞艇组合控制方案是可行的.【总页数】5页(P5957-5961)【作者】凡永华;于云峰;闰杰【作者单位】西北工业大学航天学院,西安710072;西北工业大学航天学院,西安710072;西北工业大学航天学院,西安710072【正文语种】中文【中图分类】TP273.23【相关文献】1.高空飞艇螺旋桨车载试验系统设计与验证 [J], 焦俊;宋笔锋;张玉刚;李育斌2.高空飞艇氨相变系统设计软件的开发 [J], 曾宪顺;孙浩然;丁国良;郑威;李勇3.基于模糊控制的高空飞艇姿态控制系统设计 [J], 凡永华;岳小飞;于云峰;闫杰4.具有扰动抑制的高空飞艇姿态控制系统设计 [J], 遆晓光;韩放5.基于RT-LAB的高空飞艇半实物仿真系统设计 [J], 吕俊;李鑫;凡永华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
简述平流层飞艇平台的总体技术设计
• 202•平流层飞艇平台是一种以空气浮力为主要重力平衡形式的临近空间飞行平台。
在空中飘浮时通过浮力减少自身的重力作用，同时运用能量的传递增加空中长时间停留的可能性。
而飞行空间的低密度意味着需要更大的体积，更大的体积又带来更大的阻力。
目前大多数的设计方案倾向于采用轻于空气的软式飞艇，这种平流层飞艇内部携带充有氦气的气囊，以提供静浮力作为升力。
因此飞艇总体设计时需要平衡两个基本矛盾，重量与浮力的矛盾，阻力与能源动力的矛盾。
同时飞艇可以长时间驻留在空中，对载荷的可靠性也有较高的要求，对于雷达系统来说需要考虑电源的调节系统，可以通过自检设计、安全性设计等实现电源子系统的完备自检监控，满足飞艇总体设计可靠性要求。
1 飞艇总体方案评估基本特征在总体方案设计时需要注意以下的几个条件，遵循基本原理的构成设定。
（1）飞艇形式考虑稳定性，机动性等，在设计上保留了低阻力气囊，包括内层气囊和围绕在外部的外层气囊。
浮力源主要采用氦气进行充实，内层气囊充入空气。
飞行的高度主要是通过调节内层气囊的空气来控制。
外表尺寸多为椭圆形球体，减少空气阻力。
（2）运动形式大多采用电动机驱动高空螺旋桨，通过螺旋桨的运行来带动飞艇的运动，为其提供行走和停留所需的动力。
（3）为保证燃料电池在恶劣多变的环境中具有高稳定性和可靠性，实现24h 能量平衡，设计了专用控制器对燃料电池进行控制。
（4）材料使用上多为轻质高强度的材料，确保在平流层空气稀薄、浮力小的状态下保持飞艇的浮力，同时要抗紫外线老化，密封性能好的特点，制作时采用高频热熔焊接。
2 若干单项技术指标描述2.1 结构材料考虑到平流层中空气浮力小，要克服飞艇自身重力带来的影响，需要合理选择飞艇内外囊体材料的密度。
经过研究计算，内外囊体材料的密度指标提升可以带来浮力方向上的最好收益，通常上来说，就是不断增加飞艇表面的面积，减少材料的质量，获得囊体材料面密度的大幅度降低，进而获得重量与浮力之间的矛盾减弱，取得最大收益的结构形式。
平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析
第28卷第6期2007年11月 宇 航 学 报Journal of As tronauticsV ol.28N ov ember No.62007平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析姚 伟,李 勇,王文隽,郑 威(中国空间技术研究院研究发展中心,北京100094) 摘 要:平流层飞艇优化设计对飞艇体积、重量、成本、工作能力、承载能力等有重要影响。
提出采用总重最小的优化目标对平流层飞艇进行优化,给出了平流层飞艇总体参数估算方法,建立了平流层飞艇优化流程,编制了计算程序,并对平流层飞艇进行了尺寸优化。
分析表明:(1)为达到最小代价(总重或成本)的目标,平流层飞艇设计不能片面追求阻力最小或者浮力最大,应综合考虑浮力与推力,进行尺寸优化;(2)平流层飞艇运行地理纬度、在一年中的运行时段、抗风能力、有效载荷重量、再生燃料电池比能量、蒙皮比重量等参数对飞艇优化设计尺寸有重要的影响。
关键词:平流层飞艇;总体优化;参数分析中图分类号:V247 文献标识码:A 文章编号:100021328(2007)0621524205收稿日期622; 修回日期2520 引言近空间目前还是人类活动涉及很少的空间领域。
近年来,在区域大气环境监测、防灾减灾、高分辨率实时监视、预警和导弹防御、反恐、区域通信等需求的驱动下,美国、欧洲、日本、韩国、以色列等国都在努力进行近空间资源的开发[1,2]。
平流层飞艇作为近空间飞行器系统的核心,各国投入大量经费对之进行论证和研制,近期取得了很大的进展。
目前我国也非常重视发展平流层飞艇技术。
2005年底,美国洛克希德马丁公司与导弹防御局M DA 已签订1.47亿美元的H A A 平流层飞艇合同,预计2009年研制成功原型艇,并进行飞行演示验证。
E SA 、JAX A 、韩国航空宇航研究院、Lindastrand 公司、Sans wire Netw orks 公司、Raven 工业公司、马来西亚国家浮空器技术中心等单位也开展了研究工作。
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２０ｌ ． １ ０３
兵 工 自 动 化
Ｏｒ ｄｎａｎｃｅ Ｉ ｎｄｕｓ ｒ ｕｔ ｔｙ Ａ ｏｍ ａｔ ｏｎ ｉ ・７３ ・
３ （） ０３
平 流层 飞艇 上 升段 高度 控 制方 案
侯 勇 ， 杨 军 （ 北工 业大 学 航 天学 院 ，西 安 ７ ０７ ） 西 １０ ２
升 力 ，并 通 过 充 有 空 气 的 副 气 囊 对 飞艇 进 行 高 度 调 节 。 由于 可 以 不 依 靠 运 动 产 生 升 力 ，所 以此 类 飞 艇
姿 态 控 制 的 资料 比较 多 ，而 论及 上 升 段 高 度 控 制 的 文 献 还 没 有 见 到 。 笔 者 针 对 目前 平 流 层 飞 艇 研 究 可
摘 要 ：为 更好 地进 行 平 流层 飞艇 上 升段控 制并提 高上 升速度 ，建立 飞艇 三 自由度纵 向动 力 学方程 。从理 论 上分 析 了副气 囊单一 控 制存 在 上升 速度 较慢 的 问题 ，提 出 了在 飞艇 上 升段 采 用螺旋 桨推 力＋ 动升 力＋ 静升 力的 复合控 制 方案 ， 分 别对 ２种 方案设 计 了控 制 器 ，并 通 过数 字仿 真验 证 了在 飞艇 上 升段 采 用复合 控 制 方案 的合 理 性
关键 词 ： 飞艇 ； 高度 控 制 ；控 制 方案 ；上 升段 中图 分类 号 ：Ｔ ２ ３ ． Ｐ ７ ３ 文 献标 志码 ：Ａ
Ｈｅ ｇ — ｎ ｒ ｌＳｃ ｍ ｅｏ ｒ ｔ ｓ ｈｅ ｉ ｉｓ ｐ Ａ ｓ ｅ ｄｉ ｔ ｇ ｉ ｈｔＣｏ ｔｏ ｈｅ ｆＳｔａ ｏ ｐ ｒｃＡ ｒ ｈｉ ｃ ｎ ｎｇ Ｓ ａ ｅ
０ 引 言
平流层飞艇一般运 行在大气层 中平流层底部 ， 离 地 面 约 ２ ｍ。此 高度 大 气 上 热 下 冷 ，对 流 很 弱 ， ０ｋ 以平 流 运 动 为 主 ，飞 艇 在 其 中受 力 稳 定 ， 于 控 制 。 易 飞艇 内部携 带 充 有 氦 气 的气 囊 ， 以提 供 静 浮 力 作 为
证及对 比。
能够 以极 慢 的 速 度 飞 行 ，甚 至 能 够 在 空 中长 期 保 持
定 点 ， 即相 对 地 面 静 止 ，被 认 为 是 继 地 面 通 讯 站 和
Байду номын сангаас
能 采 取 的单 纯 通 过 副 气 囊 充 放 气 进 行 高 度 控 制 的方
案 进 行 相 关 研 究 。 以 半 硬 式 平 流 层 飞 艇 为 背 景 ，建 立 了 飞 艇 三 自由度 动 力 学 模 型 ，分 析 了单 纯 利 用 副
气 囊 充 放 气 进 行 高 度 控 制 时 ， 飞艇 上 升 速 度 较 慢 的 原 因 ，提 出 了利 用 螺 旋 桨 推 力＋ 升 力 ＋ 动 静升 力进 行 复 合 控 制 的 方 案 ， 并对 ２种 方 案 进 行 了 数 字仿 真 验