基于三元气囊的浮空器飞行力学新原理及飞行特性研究

Through theoretic analysis, the phenomenon of a modern LTA(lighter-than-air) vehicle which is said to be statically light or statically heavy, arising from temperature effect such as 'superheat' or 'negative superheat', is studied in detail. And it is revealed that the buoyancy control, pressure control and altitude control of a traditional LTA vehicle cannot be obtained at the same time when the vehicle is under the harsh condition of 'superheat' or 'negative superheat'. To solve the above principle problem, an original method which is defined as 'trio-ballonet' method is proposed. In the new method, except the traditional air-ballonets, a new type of ballonet named 'trio-ballonet' is added to the vehicle which is responsible for volume regulation by phase change. By means of both mass regulation of the air-ballonets and volume regulation of the trio-ballonets, the buoyancy control, pressure control and altitude control of LTA vehicles could be gained simultaneously. Furthermore, based on the novel concept LTA vehicle, it is found that for traditional LTA vehicle dynamics modeling, thermodynamics, gas phase regulation system modeling and control effectors modeling are not well incorporated with flight dynamics and aerodynamics at present. Thus, a theoretic framework that integrates the flight dynamics, thermodynamics, gas phase regulation system dynamics and aerodynamics of the modern LTA vehicles is another vital topic to be examined. At last, the proposed integrated dynamics model is implemented by the numerical computation and analytical analysis, and the dynamics behavior of the new concept vehicle is examined to provide a theoretic basis for its design and flight control.

用理论分析的方法对现代浮空器飞行过程中"超热"或"超冷"引起的"净轻"或"净重"等现象进行研究，揭示传统浮空器飞行力学原理在"超热"和"超冷"状态下浮力、压力和高度调节存在原理性矛盾。为了解决以上矛盾，本项目原创性地提出基于"三元气囊"的飞行力学新原理，在传统空气囊质量调节方法基础上，率先提出基于"三元气囊"- - 气液相变气囊的体积调节方法，由两者协同实现浮空器的浮力、压力和高度调节，为从原理上消除浮空器浮力、压力和高度调节之间的固有矛盾提供一条崭新的思路。同时，结合这种新概念浮空器的独特特点，针对目前国内外浮空器飞行动力学与气体热动力学、气液相变系统动力学及飞行操纵系统动力学模型集成研究的不足之处，开展多学科强耦合时变参数动力学模型集成方法创新研究，并在此基础上采用数值计算和理论分析方法，研究基于"三元气囊"浮空器总体性能和运动规律，为该类飞行器总体设计和控制方法研究奠定理论基础。

为了克服传统LTA飞行器存在的原理缺陷，发展新的适应现代飞艇发展需求的新原理，本课题提出了一种基于“三元气囊”的LTA飞行器飞行力学新原理，力图从原理上消除LTA飞行器净浮力、压力和高度控制之间存在的矛盾。.针对垂直方向热力参数和运动参数耦合这一固有特性，研究提出了平流层浮空器独有的垂直方向热力运动耦合飞行模态。基于状态空间模型和模态坐标法的研究表明，零压、超压“一元气囊”浮空器状态不完全可控，而体积可调变体“一元气囊”浮空器和“二元气囊”浮空器状态可控，但在同时控制压力和高度时具有欠驱动系统特点，必须增加新的操纵变量才能独立解耦控制。“三元气囊”新概念浮空器与传统浮空器的本质区别是它通过增加气液相变操纵装置，增加了体积控制输入量，不仅保证从理论上可以同时独立控制高度和压力，而且在实际应用中，在一定安全压力范围内，可大幅提高抗“超热”或“超冷”温度干扰能力。.研究提出了“三元气囊”原理的具体实现方法——基于氨气液相变方法。从理论热力循环研究角度论证了氨是气液相变最佳工质，并进一步研究了20 km平流层环境下的氨气液相变实际热力循环方法，基于货架产品技术现状，开展了初步方案优化设计和仿真分析，验证了方案性能和技术可行性。.基于平流层飞艇在纵向、横侧向和垂直方向的运动模态特点，提出了模型分组和集成方法，重点研究发展了一套分布式热力运动耦合动力学模型，该模型具有通用性强和精度高的特点，可仿真计算在各种工况下各种形状浮空器表面温度场、热力状态以及运动参数的瞬态变化。而且，通过数值仿真比较分析，验证了忽略内表面净辐射的合理性，提出了一种计算效率更高的高精度简化模型。.全面研究了蒙皮辐射特性、纬度、季节等各种因素对平流层浮空器温度和压力的影响，以及飞艇姿态角机动、瞬变热流、空气交换流量等阶跃输入的动态响应，仿真验证了中低纬度地区20km高度左右平流层浮空器“超热”和“超压”现象的严重性。长期驻留飞行仿真研究表明，对“二元气囊”飞艇而言，大量排出空气或作大幅度垂直运动对“超压”抑制作用非常微弱，而“三元气囊”采用合适的气液相变体积调节和空气交换策略，可大幅降低飞艇昼夜循环过程中的压力波动，可为解决平流层飞艇长期运行面临的“超压”难题提供一种全新的技术手段。另外，“三元气囊”调节原理也可应用于长航时中低空飞艇等浮空器领域，实现定高或定压条件下大范围可逆净浮力调节。