基于重力勢(shì)與風(fēng)梯度的太陽(yáng)能飛行器HALE問(wèn)題研究.pdf

1、利用臨近空間穩(wěn)定的大氣環(huán)境和太陽(yáng)能源實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)航時(shí)升力飛行的太陽(yáng)能飛行器是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域之一。該飛行器具有可晝夜持續(xù)飛行、對(duì)地?zé)o遮擋覆蓋范圍大、工作狀態(tài)穩(wěn)定、應(yīng)用成本較低、服務(wù)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境探測(cè)、區(qū)域通信、邊境監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測(cè)、高分辨率對(duì)地觀測(cè)等任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能飛行器跨晝夜長(zhǎng)期運(yùn)行和在平流層高度穩(wěn)定飛行是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。當(dāng)前研究主要集中在關(guān)鍵技術(shù)水平如何快速發(fā)展、系統(tǒng)集成和飛行試驗(yàn)

2、的經(jīng)驗(yàn)如何積累上。受制于當(dāng)前和可預(yù)期的技術(shù)發(fā)展水平，比照傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)模式開發(fā)臨近空間太陽(yáng)能飛行器仍然是開發(fā)和應(yīng)用的瓶頸和障礙。論文從制約臨近空間太陽(yáng)能飛行器性能的關(guān)鍵約束分析入手，提出了結(jié)合飛行過(guò)程的飛行器設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)引入基于重力勢(shì)能儲(chǔ)能和基于風(fēng)梯度能量獲取的創(chuàng)新思路，并分析其對(duì)飛行性能的影響特征和規(guī)律，期望結(jié)合臨近空間環(huán)境特征推動(dòng)臨近空間太陽(yáng)能飛行器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展了利用滑翔實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換的最

3、優(yōu)路徑研究。對(duì)臨近空間跨晝夜飛行問(wèn)題，最優(yōu)重力勢(shì)能滑翔軌跡問(wèn)題可歸納為在滿足動(dòng)力學(xué)方程約束和氣動(dòng)參數(shù)約束基礎(chǔ)上，飛行器下降單位高度的最長(zhǎng)航時(shí)飛行航跡問(wèn)題。提出了一種估計(jì)哈密頓方程中協(xié)狀態(tài)變量方法，利用高斯偽譜方法求解該問(wèn)題。研究了初始高度和速度對(duì)轉(zhuǎn)化性能的影響，開展了0~30km高度內(nèi)最長(zhǎng)航時(shí)滑翔航跡的運(yùn)動(dòng)特征和航時(shí)特性分析。結(jié)果表明采用重力滑翔的方式可減少跨晝夜飛行所需攜帶的儲(chǔ)能電池質(zhì)量，有利于克服當(dāng)前儲(chǔ)能電池能源密度低的瓶頸問(wèn)題。⑵

4、建立了重力儲(chǔ)能和勢(shì)能獲取策略，開展了飛行過(guò)程中能量規(guī)劃方法的研究。在對(duì)太陽(yáng)能飛行器推力和能量性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)飛行器所需攜帶的儲(chǔ)能電池質(zhì)量與飛行軌跡聯(lián)合優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。提出一種適用于太陽(yáng)能飛行器重力勢(shì)能儲(chǔ)能的能量規(guī)劃方法，并對(duì)重力勢(shì)能儲(chǔ)能與儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能的等價(jià)性問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論。仿真表明：采用所提的能量規(guī)劃方法，在當(dāng)前技術(shù)水平下，太陽(yáng)能飛行器可實(shí)現(xiàn)16km以上高度的跨晝夜飛行。相比目前依靠?jī)?chǔ)能電池的平飛巡航能量規(guī)劃方法，所提方法

5、在跨晝夜飛行過(guò)程中可減少大約23.5％的能量消耗。⑶對(duì)風(fēng)梯度獲取能量的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析，建立了自主風(fēng)梯度滑翔飛行的簡(jiǎn)化方法。在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用高斯偽譜方法對(duì)最優(yōu)風(fēng)梯度滑翔軌跡進(jìn)行求解。根據(jù)最優(yōu)風(fēng)梯度滑翔的軌跡特征，提出基于特征描述的飛行器風(fēng)梯度滑翔軌跡生成方法。將特征軌跡分為四段：逆風(fēng)爬升段、高空轉(zhuǎn)彎段、順風(fēng)下降段和低空轉(zhuǎn)彎段。仿真表明：基于特征的描述方法所生成的風(fēng)梯度滑翔軌跡可表征最優(yōu)滑翔軌跡的變化，按照所規(guī)劃航跡，可有

6、效從風(fēng)梯度中獲取能量，并簡(jiǎn)化滑翔軌跡生成過(guò)程。⑷對(duì)風(fēng)梯度能量獲取過(guò)程的功率和效率進(jìn)行了研究。對(duì)常值風(fēng)梯度條件下的四種滑翔軌跡類型：彎曲型變高度軌跡，彎曲型變速度軌跡，橢圓型變高度軌跡，橢圓型變速度軌跡進(jìn)行了研究，并對(duì)其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：在相同條件下，彎曲型風(fēng)梯度滑翔的飛行周期普遍短于橢圓型風(fēng)梯度滑翔軌跡。不同的風(fēng)梯度滑翔類型所對(duì)應(yīng)的能量獲取效率不同，彎曲型滑翔軌跡能量獲取效率高于橢圓型滑翔軌跡。對(duì)于彎曲型風(fēng)梯度滑翔軌跡，

7、從風(fēng)梯度中獲取的富余能量存儲(chǔ)在動(dòng)能中比存儲(chǔ)在重力勢(shì)能中有利，對(duì)于橢圓型動(dòng)態(tài)風(fēng)梯度滑翔軌跡則相反。⑸對(duì)臨近空間太陽(yáng)能飛行器綜合利用重力勢(shì)和風(fēng)梯度進(jìn)行了研究，分析了爬升和滑翔階段風(fēng)梯度對(duì)飛行器能量消耗的影響。對(duì)飛行器上升階段所能達(dá)到的最大高度問(wèn)題和飛行器在重力滑翔階段所能支撐的最長(zhǎng)滑翔時(shí)間問(wèn)題分別進(jìn)行討論的基礎(chǔ)上，分析了梯度風(fēng)方向和大小對(duì)爬升和下降階段的影響。仿真表明：當(dāng)梯度風(fēng)強(qiáng)度為0.05<β<0.1s-1時(shí)，在爬升階段，從風(fēng)梯度中所獲取