鄧小龍，楊希祥，麻震宇，朱炳杰，侯中喜

國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073

臨近空間是指介于傳統(tǒng)航空器飛行高度和航天器軌道高度的空天結合區(qū)域，因其獨特的大氣環(huán)境和距地高度，蘊含著巨大的軍事和民用價值，是當前國際競爭的前沿領域[1]。平流層浮空器是主要依靠浮升氣體產生的浮力在平流層飛行的一類飛行器，是當前進行臨近空間應用的重要技術平臺，主要包括高空氣球和平流層飛艇[2-4]。由于工作在氣流相對平穩(wěn)、垂直對流小的平流層環(huán)境，平流層浮空器具有駐空時間長、載荷能力大、使用效費比高等優(yōu)點，可實現長期、實時、全天候、全天時的信息獲取能力，可為對地觀測、預警探測、通信中繼、防災減災、環(huán)境監(jiān)測、網絡覆蓋等應用需求提供解決方案，具有巨大應用前景[5-6]。

高空氣球(見圖1)是一類無動力平流層浮空器，是目前在臨近空間開展科學研究與技術驗證的主要平臺[7-9]。隨著囊體材料技術、超壓技術等關鍵技術相繼突破[10-12]，高空氣球的發(fā)展與應用日趨成熟[13-15]。但是，由于高空氣球只能被動地隨風飛行，主要通過動力學仿真來預估其飛行軌跡，難以對其飛行軌跡進行規(guī)劃和控制，這也導致其在許多領域的應用受到了限制[16-18]。平流層飛艇(見圖2)是一類依靠循環(huán)能源驅動動力系統(tǒng)進行可控飛行的平流層浮空器，可實現持久區(qū)域駐留[19-20]。但是，由于工作高度處的大氣密度低，平流層飛艇體積龐大，具有顯著大慣量、長時延等特點，飛行性能受環(huán)境(尤其是風場環(huán)境)影響較大，飛行控制難度大[21]。為執(zhí)行飛行任務，平流層飛艇需要具備強大的動力和能源來克服風場影響，導致其動力分系統(tǒng)和能源分系統(tǒng)龐大而復雜，重量代價高，這也是目前平流層飛艇設計和應用所面臨的一個重要問題[22-23]。同時，平流層飛艇技術還需要進一步突破材料、推進、能源、控制、超熱超壓等關鍵技術與核心問題[24-26]。

圖1 NASA高空氣球示意圖[8]Fig.1 Schematic of NASA high altitude balloon[8]

圖2 平流層飛艇Stratobus示意圖Fig.2 Schematic of stratospheric airship Stratobus

對平流層飛艇和高空氣球的綜合分析可知，平流層飛艇的優(yōu)勢是可以實現自主尋航與定點駐留，不足之處是系統(tǒng)復雜程度高、總體與關鍵技術難度大；高空氣球具備結構簡單、實施靈活的優(yōu)點，但由于飛行軌跡和區(qū)域難以控制，無法滿足多數軍事和民事應用要求。因此，將平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點結合起來的一類新型平流層浮空器在近年來受到廣泛關注。

此類平流層浮空器的設計思想如圖3所示：針對平流層底部存在東西風向翻轉，且在東風帶和西風帶之間存在空間范圍較大、時間上比較穩(wěn)定的準零風層的特點[27-28]，通過改變平流層浮空器駐空高度，主動地對不同高度風層的風場進行合理利用，以較小的能源和動力代價實現飛行器的區(qū)域駐留或軌跡規(guī)劃[29-30]。在設計上，新型平流層浮空器結合了平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點，一方面，它采用了與高空氣球相似的技術路線，繼承結構簡易、操作方便、成本低、安全可靠等特點。另一方面，對高空氣球的控制系統(tǒng)進行了技術革新，可以充分利用平流層環(huán)境特征，克服高空氣球在軌跡控制和高度控制上的局限性，通過對飛行軌跡的設計和控制，進而實現區(qū)域的長時駐留。

圖3 基于風場利用的平流層浮空器工作原理圖Fig.3 Principle of stratospheric aerostats based on wind field utilization

需要注意的是，風場環(huán)境受時域和地域的影響大，平流層準零風層的出現也有一定的時間和空間規(guī)律特點。例如，在中國低緯地區(qū)，一般冬季和初春有準零風層風場存在，中高緯地區(qū)則通常出現在春末和夏季，中低緯過渡區(qū)域的準零風層與準兩年振蕩有關[27,31]。因此，基于風場利用的平流層浮空器在應用中還應考慮環(huán)境約束的限制。

近年來，國內外研究人員對基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器開展了大量的理論研究和實踐探索，并取得了非常積極的成果。本文通過對典型軍民項目的研究進展進行分析，梳理此類平流層浮空器所面臨的核心問題，對目前提出的解決方案進行了分析，從實際應用的角度討論了相關技術難題的可行解決方案。

1 典型項目研究進展

隨著高空氣球應用和平流層飛艇技術研究的不斷推進，基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器受到了廣泛關注，并在理論研究和實踐方面開展了大量工作，取得了非常多積極的、卓有成效的成果。典型項目包括民用領域進行商用化拓展的谷歌“Project Loon”項目和軍用領域堅持理論攻關與試驗驗證并進的諾斯羅譜·格魯曼“STRATACUS”項目。

谷歌氣球“Project Loon”項目于2013年正式公布，旨在通過對大量平流層浮空器進行組網控制，構建平流層通信網絡，實現區(qū)域持續(xù)覆蓋，為全球范圍內無互聯網接入的農村或偏遠地區(qū)提供快速穩(wěn)定廉價的網絡接入服務[32-33]。自提出以來，谷歌氣球突破了諸多浮空器設計、制造的關鍵技術，并完成了大量的飛行試驗，發(fā)展成為全球關注的創(chuàng)新研究項目。如圖4所示，谷歌氣球通過調控副氣囊中的空氣量來改變飛行高度，利用不同風層的風場進行區(qū)域駐留[34]。2013年6月，谷歌在新西蘭2個發(fā)放點進行了首次公開測試，驗證了利用30只氣球提供互聯網連接服務的可行性；2014年3月，谷歌氣球實現了22天時間完成繞地球飛行的試驗。通過對技術和工藝的不斷提升，至2015年，單個氣球創(chuàng)造了187天持續(xù)飛行記錄，平均單個氣球飛行時間超過100天；2016年，在巴西、澳大利亞、新西蘭、斯里蘭卡等國家大量試飛，在秘魯實現了98天的區(qū)域駐留；2017年10月，向遭受颶風襲擊的波多黎各提供緊急通信和網絡覆蓋支援；2018年7月，谷歌氣球項目開始獨立運營，并為肯尼亞偏遠地區(qū)提供網絡服務；2018年8月，驗證7個氣球進行數據傳輸1 000 km的關鍵技術。

諾斯羅譜·格魯曼(諾-格)公司于2012年提出“SCN”(平流層通信節(jié)點)項目，后改名為“STRATACUS”(平流層C4ISR無人站)項目，如圖5所示。該項目旨在通過對一定數量的平流層氣球進行多網協作控制，為美軍提供持久的戰(zhàn)區(qū)寬域指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視和偵察(C4ISR)服務[35]。STRATACUS項目瞄準戰(zhàn)場的快速區(qū)域信息保障需求，采用零壓氣球技術，通過模塊化設計實現快速批量部署能力，可提前置于戰(zhàn)略位置，并可根據需要經空中或地面快速運輸至指定區(qū)域，可數小時內完成卸貨、部署發(fā)放和抵達駐空位置，提供2個月以上的持久覆蓋。2013年，完成概念可行性階段工作，在美國空軍基地完成了階段飛行試驗，驗證氣球吊艙內通信載荷提供通信和情報、監(jiān)視與偵察的能力；2014年項目載荷為“阿拉斯加地盾”軍演提供支持，驗證其載荷的靈活性，以及其支持公共安全、應急響應及其他通信網的能力。目前，項目正處于位置保持算法、高度控制方法和系統(tǒng)能源設計等關鍵技術研究階段，同時通過利用全球大氣風場30年的數據，研究不同高度、高分辨率風場預測，以提供飛行規(guī)劃或預測。

圖4 谷歌“Project Loon”應用示意圖Fig.4 Application schematic of Google “Project Loon”

圖5 諾-格STRATACUS項目應用示意圖[35]Fig.5 Application schematic of Northrop Grumman “STRATACUS” project[35]

基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器在設計上繼承了高空氣球的技術路線，在工程上繼承了高空氣球和平流層飛艇攻關成果，其系統(tǒng)復雜度較低，對能源、動力、控制、材料結構等關鍵技術的要求不高。實際上，隨著長航時高空氣球技術的不斷突破，該類平流層浮空器在設計和加工中涉及的關鍵技術已經相對成熟，具備良好工程基礎。但是，這種新型平流層浮空器在邁向實用化的道路上，仍面臨一些與其工作原理相關的特有關鍵技術，如對風場感知/建模、風場利用方法、軌跡規(guī)劃或區(qū)域駐留策略等。

2 風場感知/建模技術

基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器的主要工作原理是對準零風層進行合理利用，其決策如何利用風場的重要前提是獲取準確的準零風層的風場信息。當前，風場信息可通過風場測量/感知、風場預測/建模等方法來得到。

2.1 平流層風場測量技術

目前，各國已建立氣象觀測系統(tǒng)，可提供相應站點的高空風場觀測，觀測手段主要包括地基的風廓線雷達、激光測風雷達，以及基于探空氣球的導航測風、無線電經緯儀測風、GPS測風等手段?；臼降奶綔y系統(tǒng)通常測量精度較高，但受限于測量點約束，地面觀測站的覆蓋面是非常小的，在偏遠地區(qū)、遠海地區(qū)、發(fā)生災難等應用地區(qū)則難以提供及時的風場觀測信息。車載移動式風廓線雷達的最大探測距離一般只有幾公里，且高度分辨率和風向探測精度較差[36]。激光測風雷達對于中低空風向風速具有較高的測量精度，但其系統(tǒng)復雜，對于高空風的探測還有待進一步發(fā)展成熟[37]。基于探空氣球的測風技術(圖6)，主要是通過測量探空儀的運動速度來實現風向風速推算，通過系統(tǒng)位置速度變化換算風向風速存在一定延時，風向風速測量實時性較差，且在時間和空間上是離散測量，持續(xù)性不高[38]。因此，對于平流層浮空器廣闊的應用區(qū)域，平流層原位風場感知測量技術是提供風場信息的有效手段。

圖6 氣球探空儀[38]Fig.6 Weather balloon with radiosonde[38]

圖7 機載多普勒激光雷達Fig.7 Airborne Doppler radar

圖8 艇載超聲波風速儀Fig.8 Airship-borne ultrasonic anemometer

用于實時風場感知的常規(guī)地面風速測量設備包括：葉輪式、皮托管式、熱線/熱膜式、激光多普勒式(圖7)、超聲波式(圖8)等[39]。這些測風設備在地面或低空應用時，均可實現較高的精度。但是，平流層環(huán)境苛刻，例如20 km高度大氣壓僅為標準大氣壓的1/14左右，溫度為-60 ℃左右，在高空稀薄的大氣中飛行，其來流最大動壓小于10 Pa，這也帶來了特有的技術難點：滿足低氣壓、低風速環(huán)境的高精度、高靈敏度傳感器制造技術；適應低溫、強紫外線和臭氧等惡劣環(huán)境條件的傳感器防護技術；在長期駐空背景條件下，傳感器可靠性設計、散熱性能設計；飛行器運動姿態(tài)及擾動對探測數據的影響和修正問題；艇身繞流干擾與來流速度、迎角和風速儀安裝位置密切相關(圖9)，艇身干擾修正問題[40]；探測設備的功率及重量限制問題等。實際上，平流層風場原位測量是當前一個重要的研究方向，正在發(fā)展的技術包括：旋轉增壓風速儀、多普勒激光雷達等[41-42]。

圖9 飛艇速度云圖與艇載風速儀位置Fig.9 Map of airship speed and position of ultrasonic anemometer

2.2 平流層風場預測與建模技術

隨著高性能計算機及數值模式技術的不斷發(fā)展，數值天氣預報系統(tǒng)具備了較高的準確率和時效性。但是，由于預報系統(tǒng)主要關注對流層和近地面的氣象特征，對平流層底部附近風場的精細化預報度仍需進一步提高。

國外通常采用全球中期數值預報系統(tǒng)為平流層飛艇和高空氣球提供氣象保障，如采用美國環(huán)境預報中心(NCEP)的全球預報系統(tǒng)(GFS)[43]。要實現對平流層及以下大氣的準確預報，一方面是提高模式層頂高度。歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)通過引入高精度有限元離散方法等技術，解決了模式垂直方向的高精度計算問題，將中期數值天氣預報業(yè)務模式的模式頂延伸到約80 km[44]；美國國家大氣研究中心(NCAR)的全球天氣研究和預報模式(Global-WRF)采用非靜力框架，通過引入垂直嵌套，能對平流層下層以下的大氣環(huán)境進行高分辨率模擬[45]；美國海軍研究實驗室(NRL)已將其NOGAPS-ALPHA模式高度從大約35 km擴展至大約65 km。另一方面是相應地提高模式的水平分辨率，對于模式動力框架的升級不僅可全面提升模式的整體性能，也有助于提高模式對對流層-平流層相互作用的模擬能力[46]。目前全球數值預報模式的最高分辨率已達到 10 km 左右。

ECMWF的中期數值天氣預報系統(tǒng)在2016年將全球中期確定性業(yè)務預報模式的水平分辨率提高到了9 km。NCEP的全球預報系統(tǒng)在2015年初將水平分辨率提高至約為13 km。但是，由于全球數值預報系統(tǒng)的難度及計算保障需求，對于臨近空間飛行器設計與應用而言，氣象預報系統(tǒng)通常作為一種保障手段和決策依據，對于飛行器在線控制和任務規(guī)劃則需要有實時額外保障。

除了上述的數值預報系統(tǒng)，基于歷史數據分析的平流層風場快速建模方法得到了關注，這為基于風場利用的平流層浮空器研究提供了有效手段[47]。該方法通常包括如圖10 (a)所示的4步：① 歷史數據收集與預處理，通過全球再分析資料產品庫獲取相應的環(huán)境數據并格式規(guī)范化處理；② 海量數據的降維處理，由于風場數據量大，所含的信息量階數過多，常用降階方法有本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition，POD)方法，通過獲取風場最優(yōu)標準正交基，可用少量階數的標準正交基和投影系數來表征原風場信息；③ 風場預測模型建立，通常分別針對東西方向和南北方向的規(guī)律建立風場模型，如圖10 (b)所示，使用Fourier預測模型可以對東西方向風場進行準確預測，預測精度與實際風場隨時間變化的規(guī)律性有關[48]，或如圖10 (c)所示，使用BP(Back Propagation)神經網絡算法對投影系數建模，通過訓練學習對投影系數進行預測[49]；④ 預測風場獲取與模型更新，通過飛行軌跡進行風場反演，得到反演風場數據，融合反演風場對預測風場模型進行修正[50]。其中，預測風場建模方法和反演風場融合方法對于預測風場建模有重要影響，仍有待進一步研究。

圖10 平流層風場快速建模方法Fig.10 Fast modeling method for stratospheric wind field

3 風場利用技術

3.1 基于高度調控的風場利用技術

基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器的工作原理指出，為實現區(qū)域駐留，需要對不同高度風層的風場進行有效利用，這就要求飛行器具備快速進入指定風層的高度調控能力。根據浮空器駐空階段的浮重平衡關系可知，改變其浮重狀態(tài)的主要手段有改變系統(tǒng)所受浮力、改變系統(tǒng)所受重力。具體而言，目前浮空器高度調控方法主要有壓艙物、外置副氣囊、內置副氣囊、浮力體體積調節(jié)等，其中壓艙物調節(jié)是不可逆過程，主要用于實現有限次調控目的。

浮空器所受浮力由其體積及所處環(huán)境大氣密度決定。通過體積調控，可對浮空器所受浮力進行控制，進而改變系統(tǒng)原有的浮重平衡。圖11給出了幾種典型的浮空器體積調控策略，包括直接對囊體體積進行調節(jié)，或改變氣體溫度進行間接體積調節(jié)。直接體積調節(jié)方案是通過變體積執(zhí)行機構進行囊體體積調控。文獻[51]中給出了一種在氣囊內設置伸縮機構進行體積調控的技術方案(圖11(a))，包括連接板、伸縮桿、連接座、電動絞盤和鋼索，其原理是利用伸縮裝置調節(jié)氣囊內部的伸縮桿和連接板的角度來改變體積。如圖11(b)所示，Voss和Riddle提出通過囊體表面經向拉伸機構進行南瓜形超壓氣球體積調控的技術方案[52]，主要包括伸縮索、絞盤、穩(wěn)定筋環(huán)等，工作原理是利用伸縮裝置調節(jié)伸縮索，使得氣球外形發(fā)生變化。圖11(c)的方案是在浮空器主氣囊內設置超壓內囊體(或超壓氣罐)，通過將浮升氣體壓入或放出超壓囊體實現浮空器體積變化[53]。圖11(d)中給出了對浮升氣體溫度進行調控的方法，通過溫度改變實現浮空器的體積控制，該技術主要通過在囊體表面(或囊體內部)安裝氣體加熱系統(tǒng)，根據需要控制加熱系統(tǒng)的工作模式[35,54]。

圖11 高度調控方案Fig.11 Methods for altitude control

總體而言，變體積技術方案的控制設計容易，但機構復雜度和重量代價較高；氣體加熱方法的機構簡單，但需考慮熱平衡過程，控制設計復雜。

基于浮空器系統(tǒng)重量調節(jié)的高度調控方法通常是將外界環(huán)境空氣作為可重復利用的壓艙物，控制空氣的壓入或釋放實現重量調節(jié)和高度調節(jié)[55]。該調節(jié)系統(tǒng)主要包括副氣囊、風機(或泵)、閥門等。當需要降低駐空高度時，通過控制風機將外界空氣壓入副氣囊，增加系統(tǒng)重量；當需要升高駐空高度時，通過控制閥門釋放副氣囊內空氣，減輕系統(tǒng)重量。相對于基于體積變化的高度調控技術，副氣囊技術的系統(tǒng)組成復雜性和控制難度較低，其主要難度在于研制適用于寬工況高空環(huán)境的高效風機。圖12給出了谷歌氣球及其設計的專用壓氣機，實際上通過方案階段對比研究基于浮升氣體溫度控制方法[54]和基于副氣囊內空氣量控制的高度調控技術[56]，在設計出適用于高空環(huán)境的專用風機，采用了后者技術途徑。

此外，多氣球組合技術也為風場利用提供了新的技術途徑。文獻[57]給出了一種具備長航時駐空飛行能力的串聯式氣球系統(tǒng)。如圖13所示，該系統(tǒng)由一個零壓主氣球與位于載荷下方的一個超壓輔氣球串聯組成。通過一根可伸縮的懸掛繩可提高串聯氣球系統(tǒng)的駐空性能，在僅消耗少量能源的情況下改變主氣球的駐空高度，使傳統(tǒng)零壓氣球駐空高度波動的現象得以改善，還可利用不同風向的風層進行軌跡控制。雙氣球系統(tǒng)通過對主氣球和輔氣球協作規(guī)劃，具有一定軌跡控制能力。一方面，通過調節(jié)氣球之間的高度，可以控制主氣球的駐空高度，進行風場的有效利用；另一方面，通過將主/輔氣球處于不同的風場環(huán)境，可以通過二者之間的受力差異進行整系統(tǒng)的軌跡調節(jié)。需要注意，雙氣球系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和控制響應有待進一步研究。

圖12 谷歌氣球及其風機Fig.12 Google balloon and its pump

圖13 雙氣球系統(tǒng)[57]Fig.13 Tandem balloons system[57]

3.2 基于氣動帆牽引的風場利用技術

除了通過高度調控技術對不同高度層風場進行利用，研究人員還提出通過在氣球下方懸掛類似于機翼的氣動帆面的技術途徑。如圖14所示，通過控制氣動帆面產生的力矩，帶動浮空器相對于地面目標實現偏航控制，從而控制浮空器系統(tǒng)的飛行軌跡[58-61]。

文獻[59]中的軌跡控制裝置工作在平流層底部，利用該處風場產生的氣動力來提供控制力矩，直接帶動浮空器系統(tǒng)，控制其飛行軌跡，該系統(tǒng)主要包括機翼、尾翼和機身等，也稱集成翼。機翼(包括副翼)是產生升力的主要部件，倒V型尾翼上有方向舵和升降舵。改變副翼的偏轉角可控制集成翼的滾轉，而控制集成翼的俯仰和偏航則需要同時改變方向舵和升降舵的舵偏角，兩舵同時上偏或同時下偏起升降舵作用，偏轉方向相反時起方向舵作用。文獻[60]提出利用軌跡控制裝置調整浮空氣球高度，通過氣球利用準零風層上下層緯向風反向的特點實現東西方向控制；利用軌跡控制裝置產生經向控制力，通過系繩拖動氣球實現南北方向控制。仿真結果指出，在一定的風場條件下，浮空器的位置和速度可以按照控制目標進行改變，能夠實現在一定區(qū)域內駐留和機動飛行，但機動調整時間較長，南北方向控制精度較差。本技術的主要難點在于氣動帆軌跡控制裝置的控制方案，其中需要考慮浮空器系統(tǒng)與控制裝置之間的牽引力、浮空器的受力情況等因素。

圖14 氣球軌跡控制系統(tǒng)Fig.14 Trajectory control system for balloons

3.3 基于動力微調的風場利用技術

由前文分析可知，在利用不同高度層的風場時，浮空器系統(tǒng)需要具備氣球或控制機構的高度調控和相應決策等技術。而對于工作在特定高度的平流層浮空器而言，則無需考慮上述問題。為此，人們針對定高工作在弱風層或準零風層的平流層浮空器，提出了使用弱動力微調的技術方案[62-64]，其基本思想是：僅當平流層浮空器處于不利于駐留的風場環(huán)境且將偏離工作區(qū)域時，通過系統(tǒng)攜帶動力系統(tǒng)進行微調處理，其余時間則利用該風場環(huán)境進行駐空飛行?？紤]到氣動阻力影響，可采用與高空哨兵(Hisentinel)類似的流線型設計和尾部推進布局[62]。

4 軌跡控制與規(guī)劃

在風場感知/建模技術和風場利用技術研究的基礎上，基于風場利用的平流層浮空器應通過合理的軌跡控制與規(guī)劃方法進行區(qū)域駐留或按一定的軌跡飛行。雖然利用風場進行區(qū)域駐留的概念已經提出較長時間，但是直到近年來才受到較大的關注。

4.1 不同駐空策略的駐留能力

文獻[48,65]開展了平流層浮空器面向指定駐留點的駐留策略研究，該方法根據浮空器當前位置計算其與設定駐留點的偏離，推算返回駐留點所需的風速和風向等條件，并以此為目標，對風場模型進行風層搜索，獲取滿足條件的風層結果，最后通過高度調控技術運行至目標風層。由于預測風場與實際風場的誤差，平流層浮空器在控制規(guī)劃下仍會偏離駐留點，因此需要不斷地重復上述工作過程，修正偏離位置。圖15給出了浮空器自由飄飛與基于指定駐留點策略的軌跡仿真結果對比[48]，可以看出通過該策略能夠將浮空器駐留在一定區(qū)域內。文獻[65]對比分析了雙氣球系統(tǒng)和氣動帆控制系統(tǒng)在3種不同風場環(huán)境下的駐留結果。結果指出，2種控制方法均可實現距離駐留點半徑500 km的駐留，但2種技術的具體應用效能則受到所處風場環(huán)境影響。例如，當主氣球高度處的風場弱時，則采用氣動帆控制系統(tǒng)的平流層浮空器區(qū)域駐留性能更優(yōu)；當副氣球或氣動帆高度風場與主氣球風場相當時，則采用雙氣球系統(tǒng)的平流層浮空器區(qū)域駐留性能更優(yōu)。

圖15 自由飄飛軌跡與基于指定駐留點策略的浮空器軌跡對比[48]Fig.15 Comparison of trajectories between free flying and fix point strategy of stratospheric aerostat[48]

同時，面向一定駐留區(qū)域的駐留方法也得到了研究，目前主要是根據浮空器所在位置與駐留區(qū)域的關系進行決策。當超出駐留區(qū)域范圍時，則需要調整至返回駐留區(qū)域的風層，否則不進行控制。相對于駐留點模式，該方法的約束范圍更大，相應的控制策略和代價更小。文獻[66]依據風場特征設置準零風層高度，將風場分為上層東風帶和下層西風帶，并對東西方向和南北方向分別進行控制。在東西方向上利用副氣囊高度調控使得氣球在不同風層運動進行風場利用，在南北方向上利用螺旋槳動力系統(tǒng)進行抗風，當浮空器超過設置的經緯區(qū)域要求時，則啟動相應的調控手段。仿真結果指出，在一定條件內可實現大范圍區(qū)域駐留。

在東西方向和南北方向分別控制的基礎上，文獻[67]提出了推進系統(tǒng)的2種工作模式：基于飛行速度約束控制和基于南北偏移位置約束控制。如圖16所示，前者在高度調控利用風場的同時，使用推進系統(tǒng)將南北方向上的飛行速度控制在一定范圍內，當南北風速小于該范圍時，推進系統(tǒng)提供的空速與風速一致，當大于該范圍時則動力推進分系統(tǒng)提供最大設置推進能力。后者是指，東西方向上的控制策略與基于推進系統(tǒng)速度控制模式類似，在南北方向上設置浮空器南北方向飛行范圍，當浮空器在南北方向上的位置接近設定范圍時，推進系統(tǒng)啟動并抵抗南北風場的影響。研究結果指出，基于飛行速度約束控制模式在風速較小時，浮空器可以隨風自由飄行，當風速較大時，通過推進系統(tǒng)對浮空器飛行速度進行控制，對推進系統(tǒng)的功率要求較低，但開啟使用的時間較長，動力系統(tǒng)的控制回路要求高；基于南北位置約束是考慮在南北方向上浮空器與駐留中心的距離，當距離較大時，通過推進系統(tǒng)抵消經向風場的影響，對推進系統(tǒng)開啟使用的時間較短，但對推進系統(tǒng)的功率要求較高。

圖16 基于速度約束和南北位置約束的平流層浮空器三維軌跡[67]Fig.16 3D trajectory of flying speed constraint and south-north position constraint strategy of stratospheric aerostats[67]

針對東西方向和南北方向獨立控制對調控次數多和能源需求大的特點，文獻[68]討論了對風場綜合利用的協同控制區(qū)域駐留策略，目的是更充分地利用風場能量，減輕推進系統(tǒng)的工作負擔，降低系統(tǒng)能耗。該工作模式主要用于在駐空高度范圍內徑向風及緯向風均存在風向切變的情況，在南北方向也通過高度調控進行風場利用。通過對不同的東西和南北2個方向風場切變高度差的分析，結果指出：在切變高度相近風場條件下，與雙通道獨立控制策略相比，基于風場綜合利用的協同控制策略對風場的利用效率更高，對動力系統(tǒng)的需求相對較小，系統(tǒng)總能耗低；在切變高度相對遠離風場條件下，并未顯著降低對動力系統(tǒng)的需求，且大幅增加了高度調控系統(tǒng)的工作，導致系統(tǒng)總能耗與獨立控制策略的情況相當，表明風場的綜合利用程度取決于東西風切變與南北風切變高度差。

綜上可知，現有研究主要集中在基于動力學模型的仿真分析，還應進一步開展風場利用機理研究，引入智能決策方法提高風場利用能力相關研究。

4.2 考慮環(huán)境與平臺特征的駐留能力

由于其特殊的外界環(huán)境和技術特點，平流層浮空器的駐留能力受多種外界因素的影響。文獻[69]對比分析了基于POD方法的Fourier級數風場預測模型與BP神經網絡風場預測模型對平流層浮空器區(qū)域駐留能力的影響。結果指出，風場預測模型精度對于區(qū)域駐留工作特性有重要影響。由于神經網絡算法考慮了誤差反向傳播，對未來短期風場預測精度更高，使得平流層浮空器的規(guī)劃軌跡與實際軌跡偏差小，可降低浮空器的調控需求，高度調控過程中所消耗的能源降低，同時也減小對閥門和風機的性能要求。

現有研究通常假設球體為剛體，實際上，浮空器駐空時面臨著超熱超壓現象[70]，囊體材料在超壓作用下會受到應力作用，材料發(fā)生延展，進而對氣球體積產生影響。文獻[71]對直徑24 m超壓氣球的研究指出，浮空器氦氣晝夜溫差達46.5 K，相應的晝夜超壓量分別為241.7 Pa和1 000 Pa，導致球體體積在7 389～7 876 m3的范圍內變化，駐空高度會發(fā)生400 m的起伏，基于長沙地區(qū)實際風場的軌跡分析指出，駐空階段的軌跡呈現出西南-東北方向往返飛行現象，這也為平流層浮空器的區(qū)域駐留研究提供了新思路。

5 結 語

本文以基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器為研究對象，綜述了最新典型項目的研究情況，并在此基礎上梳理了此類平流層浮空器區(qū)域駐留的關鍵技術，重點討論了風場感知與建模、風場利用以及軌跡控制與規(guī)劃等核心問題。在風場感知與建模技術中，重點討論了利用歷史風場數據進行風場建模的方法，并提出風場模型預測精度提高的思路。在風場利用技術中，重點討論了新型平流層浮空器的高度調控技術、氣動帆牽引技術、動力微調技術，對比分析了各方案的技術特點和難點。在軌跡控制與規(guī)劃技術中，重點討論了當前平流層浮空器風場利用策略的研究進展，并討論了智能化決策方法在基于風場環(huán)境利用的平流層浮空器區(qū)域駐留的可行性。本綜述對當前提出的解決方案進行討論，從實際應用的角度探討了相關技術難題的可行解決方案。