基于重力勢與風(fēng)梯度的太陽能飛行器HALE問題研究.pdf

1、利用臨近空間穩(wěn)定的大氣環(huán)境和太陽能源實(shí)現(xiàn)超長航時(shí)升力飛行的太陽能飛行器是當(dāng)前國際研究的熱點(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、區(qū)域通信、邊境監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測、高分辨率對地觀測等任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)太陽能飛行器跨晝夜長期運(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)合飛行過程的飛行器設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)引入基于重力勢能儲能和基于風(fēng)梯度能量獲取的創(chuàng)新思路，并分析其對飛行性能的影響特征和規(guī)律，期望結(jié)合臨近空間環(huán)境特征推動臨近空間太陽能飛行器的實(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)重力勢能轉(zhuǎn)換的最

3、優(yōu)路徑研究。對臨近空間跨晝夜飛行問題，最優(yōu)重力勢能滑翔軌跡問題可歸納為在滿足動力學(xué)方程約束和氣動參數(shù)約束基礎(chǔ)上，飛行器下降單位高度的最長航時(shí)飛行航跡問題。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題。研究了初始高度和速度對轉(zhuǎn)化性能的影響，開展了0~30km高度內(nèi)最長航時(shí)滑翔航跡的運(yùn)動特征和航時(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能電池質(zhì)量，有利于克服當(dāng)前儲能電池能源密度低的瓶頸問題。⑵

4、建立了重力儲能和勢能獲取策略，開展了飛行過程中能量規(guī)劃方法的研究。在對太陽能飛行器推力和能量性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，對飛行器所需攜帶的儲能電池質(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能飛行器重力勢能儲能的能量規(guī)劃方法，并對重力勢能儲能與儲能電池儲能的等價(jià)性問題進(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。相比目前依靠儲能電池的平飛巡航能量規(guī)劃方法，所提方法

5、在跨晝夜飛行過程中可減少大約23.5％的能量消耗。⑶對風(fēng)梯度獲取能量的運(yùn)動特征進(jìn)行了分析，建立了自主風(fēng)梯度滑翔飛行的簡化方法。在建立運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用高斯偽譜方法對最優(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，并簡化滑翔軌跡生成過程。⑷對風(fēng)梯度能量獲取過程的功率和效率進(jìn)行了研究。對常值風(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，并對其能量轉(zhuǎn)換過程進(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在動能中比存儲在重力勢能中有利，對于橢圓型動態(tài)風(fēng)梯度滑翔軌跡則相反。⑸對臨近空間太陽能飛行器綜合利用重力勢和風(fēng)梯度進(jìn)行了研究，分析了爬升和滑翔階段風(fēng)梯度對飛行器能量消耗的影響。對飛行器上升階段所能達(dá)到的最大高度問題和飛行器在重力滑翔階段所能支撐的最長滑翔時(shí)間問題分別進(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