基于副气囊的平流层浮空器高度控制

基于副气囊的平流层浮空器高度控制

张晓坤

中国电子科技集团公司第三十八研究所  安徽省合肥市 230088

摘要：浮空器悬停或飞行控制设计时，往往把风力当作一种干扰因素，螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力，而它所能承载的能量也是有限的，因此浮空器设计时存在欠能源问题。针对平流层的风场特征，采用副气囊控制浮空器的高度，实现平流层不同高度的风场利用，可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型，采用反步法设计浮空器高度控制器，利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计，并进行了仿真分析，结果表明，本文所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型，仿真分析表明，浮空器高度变化后，其囊体最终内外压差与初始压差相同。

关键词：平流层浮空器；副气囊；风场利用；囊体内外压差

摘 要：本文结合我国某地区2005年-2010年风场数据为例，首先采取正交分解法（POD）对风场数据进行降价处理，随后以基于BP神经网络算法预测平流层风场，最后结合其临近的空间浮空器的动力学模型和控制模型，分析BP神经网络风场预测模型对于浮空器轨迹控制的影响，进而为浮空器飞行轨迹控制提供相关参考。

1 概述

浮空器是指比重轻于空气的飞行器，其主要依靠空气浮力来升空和飞行[1,2]。有系留气球和飞艇两大类，二者在军用和民用领域都有着广泛的应用[3]。其主体由气囊构成，包括主气囊和副气囊。主气囊内部填充轻质气体（如氦气、氢气等）来产生浮力以克服自身重力实现升空。与此同时，主气囊内部还配备有副气囊来调节内部压力分布和结构稳定性[4,5]。

由此可见，浮空器主气囊、副气囊中气体的压力差对浮空器的性能和强度有着重要的影响。本文主要通过有限元分析的方式来讨论副气囊压力及压力差对浮空器副气囊结构强度的影响。
2 能源循环系统设计方案

2.1 负载功率统计

以某平流层飞艇为例，艇载负载分为270V负载和28V负载。270V负载为推进电机和矢量转向电机；28V负载为任务设备和维持飞艇工作的各个设备。选择3台2000W功率的电机，驻空阶段，白天风速较大，抗风平飞航行的功率约为5850W，夜间风速较小，间歇性航行的功率约为1100W；28V负载24h不间断工作，功率约为400W。
2.2 蓄电池组容量选择

夜间无光照时，蓄电池组容量应满足负载夜间消耗，考虑到平流层低温低气压特性，蓄电池组取充电效率0.95，放电效率0.9，放电深度0.9，夜间时间按12h估算，则蓄电池组需求容量为：

要实现能源循环，蓄电池组白天必须存储足够能量来满足夜间能量消耗及联合供电期间补充放电的能量消耗。此外，蓄电池组容量还必须满足升空和下降阶段的用电量。考虑到蓄电池组能量密度的可靠性与可实现性，选取锂电池为飞艇的动力储能电池，并进行分组设计。两组270V锂电池容量按9kWh设计，一组28V锂电池容量按9kWh设计。

2.3 太阳能电池阵容量选择

平流层飞艇的驻空过程是一个动态变化过程，飞艇驻空区域的纬度、季节、电池铺装的形状、飞艇运行的姿态等都与太阳能电池阵列的产能密切相关[3]。

白天太阳能电池阵的发电功率必须满足艇载各设备的能量消耗，以及给蓄电池组充电，实现能源循环。结合某飞艇顶部可用面积，确定一个太阳能电池阵有效面积约14m2，发电功率约为2.5kW,共铺设6个太阳能电池阵，每个太阳能电池阵配备一台MPPT。
2.4.2 锂电池组容量校核

锂电池主要作用是在太阳能电池阵发电量充足时存储足够容量的电能来满足飞艇夜间消耗和联合供电期补充放电的消耗。

则锂电池容量必须大于飞艇夜间和联合供电期蓄电池所需放出的电能之和，同样，考虑到蓄电池本身的充、放电效率及放电深度，则锂电池容量必须满足：

实际270V锂电池和28V应急锂电池共配置27kWh，满足飞艇使用需求。

2.4.3 各阶段能源平衡校核

对飞艇不同阶段能源平衡情况进行校核。

白天，太阳能电池阵单独供电期（平衡点2和平衡点3之间），太阳能电池阵发电量为94.9kWh，除满足飞艇消耗外富裕能量28.212kWh，大于锂电池总容量，可将锂电池充满。

日落到第二天日出期间，飞艇总共耗能为17.12kWh， 联合供电期（日出到平衡点1及平衡点4到日落期间），飞艇消耗的能量为2.01kWh，而锂电池白天储存的能量为27kWh可，满足夜间及联合供电期飞艇的能量消耗。
3浮空器雷达载荷的未来发展趋势

3.1.反导

目前来看，在现代军事科学体系发展中，导弹仍旧是最为主要的、具有超强进攻性与强大威慑力的信息化战争主战武器、现代作战防御系统的主要拦截武器，以及维持战略平衡的支柱。当前我国与国外各国致力于打造、更新导弹防御网络体系，。而浮空器雷达载荷系统具有总体使用成本低廉、超视距探测来袭导弹、持久侦查监测等应用优势，可为己方防空系统提供足够的预警时间，扮演着探测传感器成员、空中预警机补充能力的角色。因此，在未来一定时间阶段内，对反导能力的提升，将是浮空器雷达载荷系统的主要发展趋势。

3.2.临近空间

目前来看，与地面相距20-100km高度的临近空间，是我国航空与航天领域的空白之处，也是高空预警侦查平台的主要工作空域。在电子化、信息化的现代战争中，将浮空器雷达载荷系统在临近空间内停留、持续工作，将充分发挥系统的探测能力与广阔空域监视能力，将快速识别、跟踪监测与锁定浮空器雷达荷载作战范围内的来袭巡航导弹，以及无人机等隐身目标。

3.3.有源相控阵

对有源相控阵的配置，将辅助开展、高效执行巡航导弹防御以及战术监视等作战任务，其体制具有极为显著的优越性。因此，目前多国普遍将有源相控阵视作为浮空器雷达的未来体制发展趋势，并将研制重心倾向这一方向。

3.4.共形结构设计

将浮空器雷达升空平台以及雷达天线进行结构相融，在条件允许前提下，优先采用共形结构设计方式，既可以针对性改善雷达系统的环境抗干扰性能，同时，也将在一定程度上减轻浮空器的任务载荷量。从浮空器雷达载荷发展角度来看，对共形结构设计方式的采用，将大幅提高传感器探测感知能力，实现浮空器雷达天线大口径设计目标。

3.5.控制成本

虽然浮空器雷达载荷系统的总体采购与使用成本并不高昂，但其作为空中预警机的能力补充，如若未对浮空器雷达载荷研制与生产成本进行有效控制，将对我国导弹防御网络体系的发展造成影响干扰，过多占用宝贵的军费。例如美国在2008年，由于军费削减，将HAA计划正式取消。因此，对浮空器雷达荷载系统研发、制造、采办和日常维护成本的控制与缩减，是其未来发展趋势与当下主要研究课题之一。
4 结论

本文首先针对平流层特殊工况，分析了平流层飞艇能源循环系统的工作模式。基于能源循环系统设计思路及某飞艇负载统计，提出了平流层飞艇能源循环系统的一种设计方案。该方案确定了蓄电池组容量及太阳能电池容量，其中，蓄电池组进行了分组设计，提高实际应用情况下的可靠性；每个太阳能电池阵配备一台MPPT实现最大功率点跟踪。通过仿真结果进行各阶段能源平衡校核，结果表明：该方案下，能源循环系统能实现飞艇昼夜所需的能量循环。为后续平流层飞艇的能源循环系统提供一种设计思路。

参考文献

[1]崔尔杰.近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题[J]力学进展，2009，39(6): 658-673.

[2] 史源.新型MPPT技术在航天领域的研究与运用[D].上海交通大学，2017.

[3] 朱炳杰，杨希祥，麻震宇等.平流层飞艇太阳能电池系统产能分析[J].国防科技大学学报，2019.