2019年临近空间科学技术热点回眸

 概述了2019年临近空间科学技术的研究热点：在临近空间原位进行科学探测的高空科学气球扮演了主角;其他临近空间飞行器在平台技术研究与试验方面也取得了不同程度的进展;多型高超声速飞行器已经装备部队;太空旅游商业公司维珍银河上市,商业化的太空旅游又近了一步。     

旋成体飞艇艇体的MATLAB辅助设计工具箱

在飞艇的研制过程中需要经常改变飞艇的构型参数,采用计算机辅助的参数化设计方法能快速方便地满足研制需要。用MATLAB根据飞艇艇体参数来生成艇体外形图形和数据,所用飞艇艇体参数为艇体长度,艇体长度-最大直径比,最大直径在艇体上的位置,艇体前段和后段的样条曲线。可根据给定的艇体长度,艇体长径比,最大直径在艇体上的位置按给定的艇体前段和后段的样条曲线准确快速生成艇体外形图形和数据,做成MATLAB工具箱形式,用于工程研究,获得了良好的效果。     

一种飞艇囊体结构分析方法

飞艇是典型的充气薄膜结构,对结构内应力、变形等的准确预测是这里结构设计的关键问题。基于有限元分析软件NASTRAN,提出了一种飞艇囊体结构仿真分析的方法。给出了飞艇模型的建立、网格的划分、约束施加和载荷处理等过程。通过对某飞艇模型在俯仰和转弯两种工况下的分析计算,得到飞艇囊体应力和应变分布,结果与实际情况符合较好。为飞艇囊体的设计提供了参考依据。     

高空飞艇高度控制系统设计及仿真

高空飞艇在上升和下降阶段时单独的空气舵控制或副气囊充放气操纵都难以实现飞艇的快速爬升和悬停的要求。针对高空飞艇纵的控制操纵特点,提出了采用副气囊充放气和空气舵组合控制的高空飞艇高度控制方案。当时高度存在大误差时,采用副气囊和空气舵组合控制改变飞艇的姿态实现快速爬升或下降;当接近悬停高度时,主要采用副气囊充放气进行高度调整,从而实现高度的大范围控制。首先完成了采用组合控制的高空飞艇动力学建模;然后,基于最优控制对高空飞艇纵向高度控制系统进行了设计;最后给出了高空飞艇高度控制系统的仿真验证。结果表明所提出的高空飞艇组合控制方案是可行的。     

平流层飞艇热力学建模与仿真研究

文章基于对飞艇热状况形成机制的分析,建立了针对临近空间飞艇的热力学模型,主要有对流换热数学模型和辐射换热数学模型,并编写了热特性仿真计算软件,对飞艇在巡航阶段艇内气体温度变化进行仿真分析。结果显示:平流层飞艇氦气平均温度的变化主要受太阳辐射强度的影响,夜晚较低,白天较高,温差约为55℃;副气囊空气温度的变化趋势基本与氦气一致,且氦气和空气最大超热都超过40℃。     

捷联惯导系统中基于卡尔曼滤波的奇异点消除算法

为消除奇异点对大飞艇的姿态解算带来的困扰,提出了一种基于卡尔曼滤波的奇异点消除算法.在构造出的卡尔曼滤波模型基础上,将当前状态变量作为先验估计代入滤波器的时间更新方程中,以便及时投射到测量更新方程,并得到测量更新方程所需的数据;此后,通过测量更新方程来校正先验估计,从而获得此状态的后验估计值,并用该估计值来代替加速度计传感数据中的奇异点,从而达到消除传感数据中奇异点的目的.Matlab实验验证了算法的有效性.结果表明,该算法在没有引入延迟的同时,有效消除了系统中传感器信号的毛刺点.     

基于Gauss伪谱法的平流层飞艇上升段航迹规划

引入净浮力计算方法,完善了平流层飞艇航迹规划问题的数学模型,并通过对其飞行过程的分析,得出了模型的目标函数和约束条件.基于Gauss伪谱法对时间最少和能量最省2种情况下的平流层飞艇上升段航迹进行了规划.仿真结果表明,飞艇的最短上升时间为2 913.6 s, 在时间允许的情况下飞艇可以实现零耗能升空.仿真结果可为平流层飞艇的总体设计提供有益参考.     

考虑组分相互作用的飞艇蒙皮材料力学模型

平流层空间空气稀薄,昼夜温差变化剧烈,巡航状态的平流层飞艇需要承受较大的循环压差载荷。蒙皮作为平流层飞艇的主要承力结构,其材料力学性能直接影响着飞艇的使用性。针对蒙皮材料层压结构特点,构建其细观结构模型。通过研究拉伸过程中纤维纱束与基体和膜层的相互作用,指出承力方向纤维纱束的变形过程分为弯曲状态逐步拉直和产生伸长形变两个阶段。建立了蒙皮材料拉伸过程的非线性力学模型;并通过与准静态拉伸试验获得的材料应力-应变曲线进行对比分析,校验了模型的准确性并分析了模型参数的改变对材料力学性能的影响,为平流层飞艇蒙皮材料结构优化设计提供依据。     

2018年临近空间科学热点回眸

 临近空间神秘而迷人，其资源还远没有得到有效利用，临近空间飞行器是认识和利用临近空间的必然工具。回顾了2018年临近空间飞行器热点：中国科学院启动A类战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”；谷歌公司旨在平流层气球组网的Project Loon完成7球中继1000 km里程碑，双球单跳最远传输距离达600 km；Zephyr S无人机创造临近空间太阳能无人机驻留时间新记录；高超声速飞行器方面，普京宣称弹道导弹“匕首”已经服役，美俄在滑翔导弹剑拔弩张，吸气式巡航飞行器波澜不惊、多国仍在努力攻关；Virgin Galactic的SpaceShip Two跨入太空的门槛，Blue Origin的New Shepard完成了为普通乘客到大气层更边缘遨游之前的两次关键飞行。探索与认知，打击与防御，遨游与分享，未来临近空间必将上演更多异彩纷呈的篇章。