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1、i 流层l I 艇的匕f 了挖市0 疗案探时H 琶詈吴I ! j ：j 趣f 北京空间H l U 岍究所10 0 0 76 )摘要本文对飞挺的放飞，浮空、定点机动和返回等各个阶段进行了描述根据不同的阶段研究了相应的控制篆略。关键字平流层飞艇放飞定点返回控制1日U 舌近年来由r 国l ：方、安全 l i 社会经济发展的需要，再固纷纷开始关注近空间这个远术得刨开发和利川的空间资源。近空间E 行器作为笑键的运载平台白然也成为再国新技术领域开发的重点。近空间E 行器E 行高度在2 0 一1 0 0 K m ，可以完成对地观测，侦察、监视、通讯、科学探测私l 技术试验等多种任务。从2 0 世纪5 0 年
2、代木以来，就有人提出备种近空间平台的设想但由丁技术上的限制，直剑最近才有实现的可能。这些技术包括；( ”能源技术，包括轻质薄噤太肼j 能电池，轻刊高教再生燃料也池和高能蓄电池：( 2 ) 礅电子技术，电子、控制、有效载荷等光电醴备冉勺高性能，智能化、轻鼙化：( 3 ) 超轻、高强、耐辐照千低渗浦的柔性薄膜材十：H Y 术。_ 二十f ：纪末，上述技术领域有了i H 人的发展手突破，使得近空间行器岍发成为可能，再国政府、军事千商业机阳竞相捉山方案平研制计划，行进行了多项E i 了试验验证，对r 绝人多数的E 虮米说，2 0 k m 高度已经是E i r 最崩限。尽管已研制山可爬升剑2 1 k i
3、 n的无人侦察叽，如美国的“全球鹰”旦E 肌必须靠高述E 行保持升力，不话合执行k ! ：l J 持续的砚测、通讯等任务。冈此为利川近空间资源发达国家均着手研究近空间E 行器项目。综合国外资十： ，近空间E 仃器的类删包括自由飘浮气球、r 可控气球、高空E 艇( 即平流层E 艇) 、太日I 能E 行宾( 戏滑翔饥) 和混合类掣E 行器等。其中由丁高J 空E 艇具有K 驯持续定点和饥动I ：作的能力，且载重埴人，K c | J 咀米一直是f J J 究的重点。平流层E 艇是一种轻丁空气的E 行器，土要由蜒囊，能源系统，推进系统、载荷舱、艇首和艇尾结f ，控制系统等组成。I ：作高度住2 0 k
4、m 3 0 k m 依靠静升力驻空，由太翻l 能为其提烘能源动力，弗带有推进系统具有携带数吨重的订放载荷弗实现定点，主动控制手机动的能力它与平流层高空气球的最人区别庄丁其有推进和控制E 行j 状态的袈置，平流甚E艇能k 时间定点驻空时问I 乏j 厶数月吱数年竹常台适作为新掣信息平台来进行高精嗖对地现删通信中继，I i 域预警，F 城导皖等，琶I j ，I 雎地匕 j 器的F 制 二J E 蜒楚川J t e 跫n 0 静；于J J ：仟 I f 蚵搠：存 1 、川定9 2 0的升力( 迪循5 H 基水德定律) ，从而边剑上月的口的。平流层E 蜓的最人优势在丁可以低述E 行，能够碓直爬升f l I
5、r 阶赴空中魁泞。然而E 艇对R 的一F 扰旷常的敏感。为了埕挥E蜒的优点，克服E 艇的缺点+ 就要将控制岫4 - E 幢上，与传统E 行器不同无人E 惟j 1 = 仃柔软的外蒙皮需要维持一定的内外乐芹咀倮持外形，并且主要依靠静浮力提供升力，这屿特点决定了它在建模与控制方面将盎临限多难题。2 飞艇的特点这里探讨的E 艇的结构为：r 刚- 肚结构，具有翦后峒粘气囊，在尾部安装士推力螺旋桨，住E 艇的腹部两渊面各安装两个久鼙发动机米驱动较小的螺旋桨，尾部安装十字尾篼，其上安装了升降蛇和方向舵。对E 艇这砷体积人、惯性人、机动性差的E 行器米说，我”J 知道其纵向和横f ! | l 向扰动都是不稳定
6、的，若要有效地操纵E 艇就必须增人尾疑的面积，以提供足够的空气动力，然而，这样就增加了E 艇的重量羽f 阻力，使E 蜓的机动性变得更筹了。这种矛盾就可以通过放宽静稳定性来解决，具体就是将E 艇| 殳计为静不稳定特性的E 艇。放宽静稳定性还可以提高E 艇的机动性，不过E 蜒住受扰动业机动E 行时，会出现稳定性不足或是不稳定。冈此，必须H J 白动控制的方法米补偿。3 飞艇控制系统的组成经过初步的系统论证，控制系统的基本组成部分如F ：1 1测量部什。该部什是控制系统的信息来源， J 来洲鼙蜒E 行控制所需要的导q 亢信息乖环境参数，土要有G P S 接收机歧加速度计、航向陀螺仅歧速率陀螺仪、数字
7、罗彘、温度敏感器、压力压筹敏感器、风速风向仪笛。2 )信号处理部件。该部仆土要是能将洲量部什的信号加以处理，形成符合控制要求的控制信号和臼动控制规律，它也可咀说是控制器，例如艇载计筇机等设备。3 )放人部仆。该部什是将信号处理部什的输出信号进行必要的放人处理以便驱动执行机构。4 )执行机构，根据放人部什的输出信号做山相应的动f 1 响应。士要有螺旋桨父量推力执仃机翩，气阀羽鼓风机执仃机怕，温| ：蔓凋竹器执行机构等：4 飞艇控制过程及策略41 放飞过程削1 琶睡i f 4 ：忿瞄放E 阶段主要是利川E 艇的静升力米控制E 噬上升，也就是通过控制E 蜒内氦气囊、空气囊的体积变化产生的浮力求实观。
8、放b 过群可咀分为二个阶段：低空放E ，快速穿越，平艳逼近。 1 ，l 骶空坡E 所段 ( 卜3 k m )住地面时E 挺丧臼重袍定然后通过 挺内氨气与空气褒H = 移! 比例的惆1 ，平妞刮推力装置I 1 + 产生罚，jr l - 空升空之后需要幢眶深持平稳的币裔上升述爱前进行姿态阔移倥之l ，L 进入快述穿越段时能订一定的攻拜| ，计像持迎风状态。此过拌婴解班的控制问题是：E 蜒的钋形保持控制、述度控制、姿态控制、伊羔控制。其钾 J 疗法帚日宅制策略是：a 通过乐力控制进行外形傈持：b 通过充，放气控制阈浮力进 了上升过度的控制：c j i | i 过推力币l 犯偏角r 升降舵，方向幢控制
9、进仃姿态辛伊置控制。 1 2 快逋穿越段t 3 一】6 k m )A 浮力控制此过挂温度、密度和1 压力的变化显并，如果太快对内部气寞的阔任也婴徽快所以，此阶段只能保持相对较快的一LS l 逋r 堑，B 推力控带I士推力袈X i - ：j f i f J 都，寸f 1 乃上H 的动，J 部分水平分罐可咀抵消平行风的mJ J 辅助父0 招力川* 鹾j ；i 匕I 逝 1 0 1 t 同f 电匕f 妊，终f 古；荇r 4 11 J 玎f L I JO - D I s ；I j l ；I 白上完伐披，二f ：持对外的r K 蔷7 fr 。t 一芷f 门；i 力，( 1；州 拧，l ，：8 2 2刚的
10、纵向控制中，精f f l j 幻、衍仲白j 述爱前向述腰，掣尉逮f c 足主翟被控媾升阶蛇角 H j l i i 力是土要控捌螭，庄j l l ：穿越过件r 需要控制m f | 1 J 角雠持一定n o f f j 悭以产：L 。一定的升力硬机功能力。琶 艇f _ j l 孔的七刘琏璎的变化会引起纵同线性：扶态- ，J 牲中参数的变化，进而导致糸统不稳定。使淆模控制疗i 妻设汁的控制嚣可咀很好的解决上进问题佳控制系统趋向毪定，而且具仃仆 好的舞体陆丌抑制j - ：J 抓现象。D 横闻控制m 删向控制较为复尔尤其侄上升 = f f 政E I 挺n 一操持俯f 1 J 舟j 的同时，还需婴B -
11、j 能通过调辖变父靖推力器转角和方闻舵偏角使E 蜒能保持迎风矗姿态。W 日，方法列系统进 ? 控制，也可以得剑较好的控制放泉。此过稃结束口J 声调粒E 艇姿态， 缸复平稳姿态，i 霉通过浮力平水平推力使艇I f l JJ 自定R 域缓慢平稳t 去。j 1 3 平稳逼近段( 1 6 2 1k m ，龟通过浮力犯i 制保j 寺上卅的同时使】 J 搬力装置向指定J + 作R 域机动。此时噬内的气建已蔓本完全眨开。外羿温悭义靛低，所以j j l 过气建体干5 ：控制浮力的效率较低，考虐气阑等机内的能力千安全性此过拌市保持较低的吒直上升逑良：控制策略是庄豫持上升造悭怕前提F 同时珏要控制蜒的姿态使j 迎
12、若取向。这时刚的速嗖很慢蛇面的控制效率f R 骶# 至基本E 不能甓扦皱能T 。4 2 飞艇机动和巡航跟踪d 一“I ：力系统的f f 川I 、U D 蝶锰浆滴1 ，E 幢，I J 资志 J 【功；兰I t i Lj j - 乃i 州- 旦2 浮至札动拄岳1 亍乏璺i 电E ：诞彰r j f ；勒H j 血I 誓I J i l t 进 i 高 业 q 通过l 把f 匍角，辅8 2 3同的机动阔帮。返l l l j = l l 馅：圯i 日踟钽l 一：情况一：E 艇当前的r 蜀慢已野；赫S , L 要，k1 1 ：址j 洛的淌址I 逸| J 1 ：1 ：5i 悭利I IJE I 挺帕功J系统将E
13、 蜒叽动剑预定似酱选取的帆二D 仃为曲线过动丘文而“线如二U0 。L 硅J i l l 纯魑功方式的一个特例。首先，E 仃控制平| I 甘玎屯H 箨l 撒据! j 前的J n 速f 呲M 确宅j 0 0 向i 两铬暾向角动力系统驱动螺旋桨推动E 艇 多动，考啦刮高空阻对E 眨的删I 却向f 螂向J J 砸及1 1前的风向风述市台理选取转弯I - - i ：如果转弯、r 降过小或行转弯、I 二f # 太凡套造成控制系统的负担，同i t , l - I t 卫增加j 【也溯t e l l 动力系统呐负于。“1E 艇接近K 蝴 t 此时E 艇n o j j i 前方向应该是迎着风的i 碱小E 畦的E
14、 f j 臆度，同时通过渊祭E 蜓的前再剐i 套- ，“ 辛气。订辅咀调謦升阡舵面米小幅度凋帮匕q 的鬲度羽I 俯仰角。情况- 二+ E 艇现庄伊置与】i i 6 i 定的位置不仅有水平距离。还存在高度荐，E 蜒首先应该尽苗缩小赢度上的距离著。尚E 蜒的气囊里有剩余的空气时E 艇可咝进一步升高。通过避一步 1 出前后气囊的空气，以提高E 蜒的浮力，同时要以升降蛇作为辅助，动力系统需要保持定的推力。在上升的时候要保持E 蜒的蜒首是迎着风的。需要r 跻时越过向气囊内注入空气增加压力减小E 蜒的浮力E 幢向F 倾刳。同时动力系统推动E 蜒砰低鬲宦。当刊逃需要的高度时调辖乐力使E 蜒母商方向受力平衡：
15、这时E 性的高慢楚奉 ：怂。J 【1 柄、点的高度相同，按F 米的E i 控制疗式1 j 第一。种情况基本相同。1 上升时E I j i i n I 面团螺旋推J 兰器控制的万向1 y 控制同上倾剥亓且宅气从升阶气建中- J t l = , t i 以维持晤力新j 。最小蚺一刊迅斩高度后，通过蛹1 ，升醑气囊的晤力使上升力为零。如果压等的平衡比小丁最0 、I ：l ! 1 将需要空气动力学的升力，直划外部空气进入E 蜒进行热传递补皓。当剑边预定的高噎时将阔I ，乐筹以保持零动力。4 3 定点保持乜艇的定点保持土要包括两使f 景持、水平伊盖倮持以眨体秕I F 斧保持由J ：If 1 I 赴i 参鹊式时E 艇气流速度低的特点尾贸升降蛇秒疗向北的忙面基本，i 上f 1I H j ：耍执行机均有气阀和鼓风机、尾部士推力螺旋桨、 j 埘，：彰拖力螺旋桨干温度搓制执仃忆钧霄剐气粪充披气可以调铀静升力，从而控制, r l 降：螺锭浆I 村求抗千政变姿态：t 阀，璺吼f J 【。湍嗖j t制声该协阑控制蜒的内外晤蒂爆竹仆形庄白天，琶I 挺i 要袄韶浮J j - f l i ，甚i 乎；后婴维 l 内部m 力山1 晚j 1 I 】f “i 描衔
