鄧小龍，叢偉軒，李 魁，楊希祥

(國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073)

0 引 言

平流層浮空器是指依靠浮升氣體產(chǎn)生的浮力在20 km高度附近進(jìn)行持久駐空飛行的浮空類飛行器，主要包括平流層飛艇和高空氣球[1]。此類浮空器主要工作在氣流相對(duì)平穩(wěn)、垂直對(duì)流小的平流層，具有駐空時(shí)間長、載荷量大、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)。通過攜帶任務(wù)載荷，平流層浮空器具備長期、實(shí)時(shí)、全天候、全天時(shí)的信息獲取能力，可為高分辨率對(duì)地觀測(cè)、預(yù)警探測(cè)、通信中繼、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和高速通信等應(yīng)用需求提供技術(shù)途徑，具有巨大的軍事應(yīng)用和民用前景，引起了越來越多國家的重視[2-3]。

由于工作高度的大氣密度極低，平流層浮空器需要龐大的體積來提供浮力，致使其飛行性能嚴(yán)重受制于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)。為執(zhí)行區(qū)域駐留任務(wù)，平流層浮空器通常利用強(qiáng)大的動(dòng)力和能源克服風(fēng)場(chǎng)執(zhí)行飛行任務(wù)，導(dǎo)致其動(dòng)力分系統(tǒng)和能源分系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，重量代價(jià)高，這也是目前平流層飛艇設(shè)計(jì)所面臨的一個(gè)重要問題。

在平流層高度，大氣運(yùn)動(dòng)以東西方向的水平運(yùn)動(dòng)為主，垂直對(duì)流較弱。研究發(fā)現(xiàn)，平流層風(fēng)場(chǎng)存在東西風(fēng)向翻轉(zhuǎn)，在東風(fēng)帶和西風(fēng)帶之間存在空間范圍較大、時(shí)間上比較穩(wěn)定的緯向風(fēng)轉(zhuǎn)換層，即準(zhǔn)零風(fēng)層[4]。針對(duì)準(zhǔn)零風(fēng)層現(xiàn)象，平流層浮空器通過改變浮重平衡狀態(tài)進(jìn)行駐空高度的調(diào)控，理論上能以較小的能源和動(dòng)力代價(jià)實(shí)現(xiàn)飛行器的區(qū)域駐留，為解決臨近空間浮空器區(qū)域駐留問題提供了一種解決途徑。近年來，這種基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的新型平流層浮空器得到了廣泛關(guān)注。這種新型平流層浮空器結(jié)合了平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點(diǎn)，一方面，它采用了與高空氣球相似的技術(shù)路線，繼承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、操作方便、成本低、安全可靠等特點(diǎn);另一方面，對(duì)高空氣球的控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)革新，可以充分利用平流層環(huán)境特征，克服高空氣球在航跡控制和高度控制上的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行軌跡設(shè)計(jì)和控制，進(jìn)而完成對(duì)指定區(qū)域的長時(shí)駐留。

谷歌“Project Loon”項(xiàng)目中，谷歌氣球通過調(diào)節(jié)副氣囊內(nèi)空氣量對(duì)2 km范圍內(nèi)不同高度風(fēng)層的利用進(jìn)行飛行軌跡設(shè)計(jì)，通過對(duì)氣球組網(wǎng)的控制進(jìn)行區(qū)域連續(xù)覆蓋，旨在為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[5]。2016年實(shí)現(xiàn)了在秘魯區(qū)域上空停留90天，并于2017年10月為遭遇颶風(fēng)襲擊的波多黎各提供應(yīng)急通信服務(wù)。諾斯羅譜·格魯曼(Northrop Grumman)公司的“STRATACUS”項(xiàng)目，基于零壓球體制的諾格氣球通過控制氦氣溫度對(duì)不同高度層風(fēng)場(chǎng)的利用進(jìn)行飛行軌跡設(shè)計(jì)，旨在通過跨多網(wǎng)協(xié)作的平流層氣球群為戰(zhàn)區(qū)提供C4ISR服務(wù)[6]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者研究了通過對(duì)熱能利用進(jìn)行空氣排放控制等技術(shù)手段進(jìn)行高度調(diào)控、通過懸掛于氣球下方的氣動(dòng)帆面進(jìn)行航向控制的多種方法，理論上研究了平流層浮空器的軌跡控制能力[7-8]。王益平等[9]通過動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)建模初步分析了平流層浮空器在準(zhǔn)零風(fēng)層特殊風(fēng)場(chǎng)的區(qū)域駐留控制策略，但建模過程進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，風(fēng)場(chǎng)因素考慮很少。

本文以新型平流層浮空器為研究對(duì)象，建立以南瓜形超壓球(內(nèi)含副氣囊)為主體的具有能源、推進(jìn)、管理、回收分系統(tǒng)的系統(tǒng)模型并基于受力分析建立浮空器的動(dòng)力學(xué)模型；設(shè)計(jì)了三種區(qū)域駐留策略，建立區(qū)域駐留模型，并在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中針對(duì)五種不同的控制方式進(jìn)行飛行仿真，得到飛行軌跡后對(duì)比分析得出結(jié)論，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

1 平流層浮空器方案

如圖1所示，平流層浮空器主要由球體和吊艙組成。其中，球體采用南瓜形超壓球體制，填充氦氣。吊艙內(nèi)包括能源、推進(jìn)、艇務(wù)管理、回收和有效載荷等分系統(tǒng)。能源分系統(tǒng)提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源；推進(jìn)分系統(tǒng)采用電機(jī)-螺旋槳技術(shù)方案，用于提供系統(tǒng)軌跡控制能力；艇務(wù)管理分系統(tǒng)用于確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與地面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；回收分系統(tǒng)用于回收有效載荷。依據(jù)浮空器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，基于推阻平衡、能量平衡以及浮重平衡設(shè)計(jì)建立模型，得到了如表1所示的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

參數(shù)值主囊體體積Vball/m32378囊體總質(zhì)量menv/kg40有效載荷質(zhì)量mp/kg20太陽能電池面積Ssc/m29鋰離子電池質(zhì)量mLb/kg25飛行高度H/km18～22系統(tǒng)總質(zhì)量msys/kg140

2 數(shù)學(xué)建模

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

平流層浮空器在飛行過程中，受到的主要作用力為浮力、重力、附加慣性力以及螺旋槳控制力，其受姿態(tài)影響比較小，故可以忽略系統(tǒng)的姿態(tài)變化，將整個(gè)系統(tǒng)視為質(zhì)點(diǎn)，建立質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程。

如圖2所示，建立慣性坐標(biāo)系xoy，定義東北天方向?yàn)榈孛鎽T性系的x，y，z正向，即向東為x正向，向北為y正向，向上為z正向。圖2中vw為當(dāng)?shù)仫L(fēng)向，θ為風(fēng)向角；Fp為推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力，β為其與x軸正向的夾角。

在z軸方向上，系統(tǒng)受靜浮力的作用上升，在xoy平面上東西方向在風(fēng)場(chǎng)作用下飄飛，南北方向還受到動(dòng)力作用：

(1)

式中：mtotal為浮空器總質(zhì)量，包含氦氣質(zhì)量與變化的副氣囊中空氣的質(zhì)量；B為浮力；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，F(xiàn)dx，F(xiàn)dy，F(xiàn)dz為3個(gè)方向的氣動(dòng)力；Faddx，F(xiàn)addy，F(xiàn)addz為3個(gè)方向的附加慣性力；Fcy為南北方向螺旋槳控制力。

浮力大小與空氣密度、超壓氣球體積、重力加速度有關(guān)：

B=ρa(bǔ)irVg

(2)

式中：ρa(bǔ)ir為空氣密度，隨高度變化而變化，V為超壓氣球體積，由球體模型獲得。

為對(duì)浮空器進(jìn)行軌跡控制，平流層浮空器通過動(dòng)力系統(tǒng)克服阻力，

Fcy=Ppsηps/vr

(3)

式中：ηps為螺旋槳-電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的綜合效率，Pps為推進(jìn)系統(tǒng)功率，vr為浮空器空速，考慮到系統(tǒng)總重及平流層風(fēng)場(chǎng)特征因素，設(shè)計(jì)最大抗風(fēng)能力為4 m/s。

阻力大小與空氣密度、系統(tǒng)相對(duì)空氣的速度、阻力系數(shù)、相對(duì)參考面積有關(guān)，20 km處垂向風(fēng)較小，可以忽略，則有：

(4)

式中：vrx，vry，vrz分別為水平方向x，y方向空速。

系統(tǒng)的囊體部分為球體，其附加慣性力為：

(5)

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

(6)

2.2 高度調(diào)控模型

基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的新型平流層浮空器高度調(diào)控的目的是對(duì)準(zhǔn)零風(fēng)層上下方向相反的風(fēng)層進(jìn)行有效利用以達(dá)到區(qū)域駐留的目的。

當(dāng)浮空器需要提升飛行高度時(shí)，排氣閥開啟將副氣囊中空氣排出，空氣質(zhì)量的變化[10]為：

(7)

式中：ΔP為超壓氣球與大氣環(huán)境壓差，Rair為閥門半徑，K為閥系數(shù)。

當(dāng)浮空器需要降低飛行高度時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)做功，將外界環(huán)境空氣壓入副氣囊，空氣質(zhì)量的變化[11]為：

(8)

式中：Vin為單位時(shí)間進(jìn)氣量。

浮空器高度調(diào)控包括增加高度和降低高度。通過打開副氣囊閥門排放空氣進(jìn)行增加高度，暫不考慮功耗影響。利用鼓風(fēng)機(jī)克服壓差做功，將外界空氣壓入副氣囊降低功耗，所需功率Pac由下式進(jìn)行計(jì)算[12]

(9)

式中：qm為質(zhì)量流量；v1,v2分別為鼓風(fēng)機(jī)入口和出口空氣的速度。

浮空器系統(tǒng)總功率需求為：

Ptotal=Pac+Pps+Ppl+Pcon

(10)

式中：Pac為高度調(diào)控功率，Pps為推進(jìn)分系統(tǒng)功率，Ppl為載荷功率，Pcon為控制、測(cè)控、環(huán)控等航電系統(tǒng)功率。

3 區(qū)域駐留飛行控制策略

3.1 基于高度調(diào)控的東西方向獨(dú)立控制策略

平流層浮空器的東西方向飛行控制是通過高度調(diào)控利用準(zhǔn)零風(fēng)層附近緯向風(fēng)切變來實(shí)現(xiàn)的。準(zhǔn)零風(fēng)層的高度大概在20 km，本文設(shè)置控制策略在18 km之上開始作用。設(shè)h0為準(zhǔn)零風(fēng)層的高度(隨時(shí)間地點(diǎn)變化)，則在地慣系中有：

(11)

圖3為基于高度調(diào)控的控制策略示意圖。浮空器在東西方向的駐留區(qū)域設(shè)置為±50 km，當(dāng)系統(tǒng)上升到18 km的高度之后，副氣囊不再排氣，僅考慮東西方向的分運(yùn)動(dòng)，由于此時(shí)緯向風(fēng)為西風(fēng)，故系統(tǒng)在西風(fēng)的作用下向東飛行，當(dāng)其位移大于50 km時(shí)，反向向西運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)的緯向風(fēng)仍為西風(fēng)，則需要高度調(diào)控機(jī)制的作用使系統(tǒng)上升進(jìn)入東風(fēng)帶，這樣系統(tǒng)便開始向西運(yùn)動(dòng)；當(dāng)其位移小于-50 km時(shí)，需要反向向東運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)的緯向風(fēng)仍為東風(fēng)，則需要在高度調(diào)控機(jī)制的作用下下降進(jìn)入西風(fēng)帶，這樣系統(tǒng)便開始向東運(yùn)動(dòng)。從控制機(jī)構(gòu)的角度來看，高度上升即為副氣囊通過排氣閥排氣，記為Cout=1，高度下降即為副氣囊通過鼓風(fēng)機(jī)吸氣，記為Cin=1，則基于高度調(diào)控的東西方向區(qū)域駐留策略可以表達(dá)為：

(12)

式中：x為東西方向位移，vxwind為東西方向風(fēng)速。

3.2 基于動(dòng)力系統(tǒng)的南北方向獨(dú)立控制策略

平流層浮空器的南北方向飛行控制是通過推進(jìn)系統(tǒng)提供推力實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置南北方向的駐留范圍為±20 km。圖4為基于動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略示意圖。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到南北向的駐留邊界時(shí)，螺旋槳開始工作并為其提供足夠大的反向的推力使系統(tǒng)的南北向加速度分量反向，這樣系統(tǒng)減速至零后開始回飛，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到南北方向總位移為0的位置時(shí)螺旋槳停止工作，系統(tǒng)繼續(xù)在風(fēng)場(chǎng)作用下自由飛行直到下一次抵達(dá)邊界，這樣就實(shí)現(xiàn)了南北方向上的區(qū)域駐留，假設(shè)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)受開關(guān)控制，當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)開始工作時(shí)，記為Cprop=1，動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)束工作時(shí)，記為Cprop=0，則基于動(dòng)力系統(tǒng)的南北方向區(qū)域駐留策略可以表達(dá)為：

(13)

式中：y為南北方向位移，vywind為南北方向風(fēng)速。

3.3 基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制策略

第3.1節(jié)和第3.2節(jié)討論的區(qū)域駐留策略是將風(fēng)場(chǎng)矢量分解為東西以及南北兩個(gè)方向，并分別針對(duì)兩個(gè)方向的風(fēng)場(chǎng)利用不同的控制方式獨(dú)立進(jìn)行控制以達(dá)到區(qū)域駐留的目的。分方向獨(dú)立控制的優(yōu)勢(shì)在于思路清晰、易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的利用不夠高效完全，僅東西方向利用風(fēng)場(chǎng)緯向風(fēng)切變的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)駐留，南北方向則完全依靠動(dòng)力系統(tǒng)，這樣對(duì)系統(tǒng)的能源就提出了更高的要求，太陽能電池面積、鋰離子電池質(zhì)量都要足夠大，且頻繁地開關(guān)動(dòng)力系統(tǒng)也會(huì)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的控制和可靠性均提出很高要求。因此，為了減輕動(dòng)力系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，降低能耗，更充分地利用風(fēng)場(chǎng)能量，本節(jié)提出一種基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制區(qū)域駐留策略，分析東西方向和南北方向風(fēng)場(chǎng)綜合利用的能力。

基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制策略加入同樣的位置約束。為了便于策略的解釋，假設(shè)東西方向風(fēng)場(chǎng)與第3.1節(jié)中的相同，南北方向風(fēng)場(chǎng)假設(shè)風(fēng)向切變的高度為h1，其下為北風(fēng)帶，方向?yàn)樨?fù)；其上為南風(fēng)帶，方向?yàn)檎?，即?/p>

(14)

圖5為基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制過程示意圖。系統(tǒng)上升到18 km高度后，開始隨風(fēng)無控定高飛行，方向?yàn)闁|南方向，當(dāng)系統(tǒng)飛到邊界時(shí)(東側(cè)邊界或南側(cè)邊界)，高度調(diào)控系統(tǒng)控制副氣囊排氣，氣球上升，如果率先到達(dá)的是東側(cè)邊界則需上升到h0高度之上，進(jìn)入東風(fēng)帶；如果先行抵達(dá)的是南側(cè)邊界則需上升到h1高度之上，進(jìn)入南風(fēng)帶，進(jìn)而系統(tǒng)遠(yuǎn)離邊界飛行，以此類推，每當(dāng)系統(tǒng)抵達(dá)邊界時(shí)，隨即調(diào)節(jié)副氣囊吸排氣進(jìn)行高度調(diào)控，進(jìn)入反向風(fēng)速帶，這樣僅通過綜合利用風(fēng)場(chǎng)特性即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的區(qū)域駐留。當(dāng)系統(tǒng)的飛行軌跡在調(diào)控機(jī)制作用下逐漸收斂至邊界相交處時(shí)，僅通過高度調(diào)控已無法滿足要求，這時(shí)就要通過動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)揮作用，將系統(tǒng)推回駐留中心。

4 區(qū)域駐留仿真與分析

運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK模塊搭建了不同控制策略下區(qū)域駐留模型，運(yùn)用實(shí)際風(fēng)場(chǎng)針對(duì)以下五種控制方式進(jìn)行仿真及對(duì)比分析：1)無控自由飛行仿真;2)東西方向單通道控制飛行仿真;3)南北方向單通道控制飛行仿真;4)雙通道獨(dú)立控制飛行仿真;5)雙通道協(xié)同控制飛行仿真。

4.1 高空風(fēng)場(chǎng)

本文的主要目的是設(shè)計(jì)出一種基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的平流層浮空器區(qū)域駐留策略，其區(qū)域駐留能力與風(fēng)場(chǎng)環(huán)境密切相關(guān)。本文選取了我國某地三天的真實(shí)風(fēng)場(chǎng)。圖6為風(fēng)場(chǎng)剖面圖，圖6(a)為東西方向風(fēng)速分量，由圖6(a)可知，20 km高度附近的風(fēng)速帶內(nèi)風(fēng)速趨近為0，此風(fēng)速帶即為準(zhǔn)零風(fēng)層，準(zhǔn)零風(fēng)層上下，存在東西方向切變的緯向風(fēng)，這是綜合利用風(fēng)場(chǎng)通過高度調(diào)控以達(dá)到區(qū)域駐留目的的理想風(fēng)場(chǎng)環(huán)境；圖6(b)為南北方向風(fēng)場(chǎng)，從圖6(b)可以看出,南北方向風(fēng)速隨高度變化并無明顯規(guī)律，此種情況下的風(fēng)場(chǎng)高度調(diào)控實(shí)現(xiàn)區(qū)域駐留，根據(jù)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)得出的規(guī)律可知，在準(zhǔn)零風(fēng)層高度附近南北方向風(fēng)速較小。

4.2 無控自由飛行仿真

1)控制策略

平流層浮空器分別在19 km,20 km,21 km高度達(dá)到浮重平衡，不加控制的在風(fēng)場(chǎng)的作用下自由飛行。

2)結(jié)果分析

隨著高度變化，外界環(huán)境參數(shù)也會(huì)變化，平流層浮空器在平衡狀態(tài)下的參數(shù)也隨之變化。圖7為平流層浮空器在不同高度飛行72 h得到的結(jié)果。由圖7可知，由于駐空高度不同，浮空器呈現(xiàn)出完全不同的飛行軌跡，且在20 km,21 km駐空高度上總位移均超過了2000 km。由此可見，在無控自由飛行模式下，較長的漂浮距離會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)對(duì)區(qū)域信息獲取和保障能力。因此，飛行控制策略是實(shí)現(xiàn)其區(qū)域駐留的重要條件。

4.3 東西方向單通道控制飛行仿真

1)控制策略

以某地為駐留區(qū)域中心，東西方向基于高度調(diào)控達(dá)到±50 km范圍的區(qū)域駐留，南北方向不加控制。

2)結(jié)果分析

圖8為東西方向單通道控制的仿真結(jié)果。其中，圖8(a)為豎直方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖,圖8(b)為飛行三維軌跡圖，圖8(c)為飛行軌跡水平面投影。系統(tǒng)通過7次吸排氣進(jìn)行高度調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)72 h、東西方向±50 km范圍的區(qū)域駐留；由于三天的風(fēng)場(chǎng)不同，而控制的方法又是達(dá)到風(fēng)速反向的高度即停止調(diào)控，所以每次達(dá)到的高度也不盡相同。在此期間，高度調(diào)控系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)共啟用4次，對(duì)應(yīng)的能耗約122 Wh。由于南北方向未加控制，導(dǎo)致南北方向的偏移接近300 km，遠(yuǎn)離了駐留中心，比較嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的實(shí)用性能。

東西方向單通道控制下的飛行仿真結(jié)果表明，基于高度調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)東西方向50 km范圍的區(qū)域駐留，但南北方向無控會(huì)極大影響系統(tǒng)的使用效能。

4.4 南北方向單通道控制飛行仿真

1)控制策略

以某地為駐留區(qū)域中心，南北方向基于動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到±20 km范圍的區(qū)域駐留，東西方向不加控制。

2)結(jié)果分析

圖9為南北方向單通道控制的仿真結(jié)果。其中，圖9(a)為三維飛行軌跡圖，圖9(b)為水平方向上的投影圖。由于系統(tǒng)在飛行過程中不具備東西方向的控制，故在其飛到指定高度后，開始定高飛行，系統(tǒng)通過16次動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)72 h、南北方向±20 km范圍的的區(qū)域駐留。在此期間，推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的能耗約10800 Wh。因此，采用推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行駐留控制所需能源遠(yuǎn)大于高度調(diào)控系統(tǒng)所需能耗，這也是風(fēng)場(chǎng)利用策略相對(duì)于風(fēng)場(chǎng)對(duì)抗策略的優(yōu)勢(shì)。東西方向由于未加控制，系統(tǒng)在東風(fēng)的持續(xù)作用下，72 h向西偏移了超過2000 km。

南北方向單通道控制下的飛行仿真結(jié)果表明，基于動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)南北方向±20 km范圍的區(qū)域駐留，但東西方向無控會(huì)極大影響系統(tǒng)的使用效能。

4.5 雙通道獨(dú)立控制飛行仿真

1)控制策略

以某地為駐留區(qū)域中心，東西方向基于高度調(diào)控實(shí)現(xiàn)±50 km范圍內(nèi)的區(qū)域駐留；南北方向基于動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)±20 km范圍內(nèi)的區(qū)域駐留，通過雙通道控制即可實(shí)現(xiàn)矩形區(qū)域覆蓋范圍。

2)結(jié)果分析

圖10為雙通道獨(dú)立控制的仿真結(jié)果。其中，圖10(a)為飛行三維軌跡圖,圖10(b)為飛行軌跡的水平面投影。平流層浮空器在雙通道控制下的飛行通過7次高度調(diào)控、16次動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)控基本實(shí)現(xiàn)了72 h、100 km×40 km范圍的區(qū)域駐留，兩個(gè)方向的結(jié)果與前面單通道控制得到的結(jié)果大體相同，由于沒有主動(dòng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行利用，獨(dú)立控制策略的能源需求基本是兩個(gè)單通道能源消耗之和。也就是說，雙通道獨(dú)立控制策略主要目的區(qū)域駐留，其能耗方面有必要進(jìn)行優(yōu)化。

4.6 雙通道協(xié)同控制飛行仿真

1)控制策略

以某地為駐留區(qū)域中心，在系統(tǒng)高度調(diào)控范圍內(nèi)，東西方向與南北方向均存在風(fēng)向切變的風(fēng)場(chǎng)中，采用基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的雙通道協(xié)同控制策略以實(shí)現(xiàn)區(qū)域駐留，更加高效地利用風(fēng)場(chǎng)能量，必要時(shí)啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋范圍。

2)結(jié)果分析

仿真發(fā)現(xiàn)，平流層浮空器動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式及系統(tǒng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的利用程度與東西和南北兩個(gè)方向的風(fēng)場(chǎng)切變高度接近程度有關(guān)。為了將結(jié)果清晰地展現(xiàn)出來，選取了兩天的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，選取的兩天風(fēng)場(chǎng)東西方向風(fēng)場(chǎng)分量特點(diǎn)相似，南北方向風(fēng)場(chǎng)分量風(fēng)向切變高度不同，2016年12月23日零時(shí)的風(fēng)場(chǎng)切變高度為18.18 km，與東西向的切變高度相對(duì)接近，如圖11(a)所示；2016年1月12日零時(shí)的風(fēng)場(chǎng)切變高度為21.78 km，與東西向的切變高度相對(duì)遠(yuǎn)離，如圖11(b)所示。

針對(duì)兩種典型風(fēng)場(chǎng)條件，分別開展基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的雙通道協(xié)同控制策略下的飛行仿真，結(jié)果如下：

1)切變高度相近風(fēng)場(chǎng)下的飛行仿真結(jié)果

由圖12可知，在切變高度相近風(fēng)場(chǎng)條件下，平流層浮空器經(jīng)過18次高度調(diào)控，4次動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)控基本實(shí)現(xiàn)了72 h、東西方向±50 km、南北方向±20 km范圍的區(qū)域駐留，與之前的雙通道獨(dú)立控制策略相比，這種基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制策略充分利用了不同高度層的風(fēng)場(chǎng)，大幅減少了動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)間，總能耗約2500 Wh，約為獨(dú)立控制策略的四分之一。

2)切變高度遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)下的飛行仿真結(jié)果

由圖13可知，在切變高度相對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)條件下進(jìn)行的飛行仿真，平流層系統(tǒng)經(jīng)過28次高度調(diào)控，14次動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)控基本實(shí)現(xiàn)了72 h、東西方向±50 km、南北方向±20 km范圍的區(qū)域駐留，通過與前面切變高度相近風(fēng)場(chǎng)條件下進(jìn)行的飛行仿真對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在此種風(fēng)場(chǎng)情況下，即使通過大量的高度調(diào)控對(duì)不同風(fēng)層風(fēng)場(chǎng)利用，系統(tǒng)仍然會(huì)快速飛向到邊界交點(diǎn)，隨即需要啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，并未顯著降低對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求，且大幅增加了高度調(diào)控系統(tǒng)的工作，導(dǎo)致系統(tǒng)總能耗與獨(dú)立控制策略的情況相當(dāng)，因此在這種情況下需要進(jìn)一步考慮具體的優(yōu)化策略。

5 結(jié) 論

基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器結(jié)合了平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點(diǎn)，它繼承了其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、技術(shù)成熟度高、安全可靠等特點(diǎn)，同時(shí)避免高空氣球在航跡控制上的局限性，具備指定區(qū)域的長時(shí)駐留的能力。本文基于動(dòng)力學(xué)模型和風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)，分析了平流層浮空器區(qū)域駐留策略，重點(diǎn)討論了基于高度調(diào)控的東西方向獨(dú)立控制策略、基于動(dòng)力系統(tǒng)的南北方向獨(dú)立控制策略以及基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制策略，對(duì)無控自由飛行、東西方向單通道獨(dú)立控制、南北方向單通道獨(dú)立控制、雙通道獨(dú)立控制以及雙通道協(xié)同控制五種不同控制方式下工作模式分別進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果顯示，雙通道控制下的工作模式可以為平流層浮空器提供區(qū)域駐留的途徑，同時(shí)在一定風(fēng)場(chǎng)條件下，雙通道協(xié)同控制策略可大幅降低平流層浮空器對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的依賴，進(jìn)而降低系統(tǒng)的能耗。