平流层飞艇上升/下降阶段大范围变参数耦合动力学与协调控制

本项目以国际上近空间飞行器发展的热点之一──平流层飞艇为背景，研究上升/下降阶段动力学与控制新问题。平流层飞艇上升/下降阶段，其质量变化程度比卫星、飞机等提高了一个数量级以上，而传热传质过程将使参数变化情况更加复杂，这种大范围变参数特点是如何影响飞艇上升/下降的高度变化和艇内外压差变化的？如何根据耦合影响的动力学机理，分析制订出合理的操纵策略，以实现压差与高度协调控制的目标？有关的针对性研究还非常薄弱，本项目将就此进行有益尝试，建立艇体航姿运动与内部气体传热传质的模型，针对上升/下降阶段进行模型简化和大范围变参数特性动态影响分析，研究上升/下降阶段高度与压差协调控制策略，并温度场分布计算基础上进行耦合动力学与协调控制研究，突破浮空器压差控制与高度控制各自独立设计的技术缺陷，为实现平流层飞艇成功放飞和安全返回提供一定的理论依据，避免平流层飞艇上升/下降阶段控制设计缺乏理论指导的盲目性。

本项目完成了研究计划并取得如下主要成果：.(1) 面向高空软式飞艇飞行控制的动态耦合方程组建模.首次综合考虑热力耦合和质量变化的影响，建立了平流层软式飞艇的飞行运动模型。在分析大气环境影响和受力情况的基础上，建立了软式飞艇的变质量系统运动的基本模型；基于阀门排气效果和风机吸气效果分析，建立了飞艇的质量变化方程；详细讨论了飞艇表面蒙皮网格划分和单元温度计算方法，并建立了辐射、对流传热对内部气体热力学状态的影响模型；最后归纳出封闭的飞行控制耦合方程组，所得到的动态耦合方程组对动态特性分析、运动稳定性、不确定性和鲁棒控制策略的仿真研究有重要意义。.(2)二元气囊飞艇升降过程热力耦合影响计算分析.基于前述模型，首次考虑热力学过程和动力学过程的相互耦合，对飞艇升/降过程进行仿真。较好地解决了刚性问题对求解算法提出较大的挑战；针对传统的净热量法的局限性，提出了改进的净热量法；通过分析发现，必须对压差、温度和高度进行协调控制：不考虑动力学过程而人为地增加飞艇的升/降速度，会导致飞艇在上升过程中出现超冷现象，在下降过程中出现超热现象；飞艇的热力学过程对其定点参数的选择影响很大。.(3)平流层飞艇上升过程航迹优化研究.针对一类气囊内外压差保持恒定的平流层飞艇，采用浮力与气动升力共同作用来进行航迹控制，并考虑附加质量对飞艇动力学的影响。利用伪谱法优化其在时间最短与能耗最低两项指标下的上升过程轨迹。.(4)考虑风场条件的一类平流层飞艇返回过程建模与航迹规划.对一类内外恒定压差的平流层软式飞艇，在考虑大气密度，温度以及风场基础上，建立了飞艇的动力学模型；并针对能量消耗最少和时间最优两个指标函数，设计飞艇从平流层返回地面的航迹。.(5)大范围变参数耦合动态特性分析与上升过程协调控制方法研究.针对一类具有双拼椭球外形的平流层飞艇，根据适当假设，给出质量和惯量特性的解析计算方法。以飞艇上升过程为例，通过仿真计算得到飞艇质量、质心位置和转动惯量的变化曲线，结合理论分析验证计算方法的合理性，并分析了质量和惯量特性变化对飞艇运动稳定性和能控性的影响。.通过机理分析研究影响平流层飞艇压差的主要因素，建立上升过程压差控制系统模型，并分析各因素对压差的影响程度。进一步提出一种以压差控制为主、高度控制为辅的协调控制策略，通过仿真验证了控制器的有效性。.(6)飞艇控制物理实验系统研制试验