平流層飛艇控制與推進(jìn)技術(shù)

喬振宇

摘要： 在平流層平臺(tái)中，飛艇發(fā)揮著重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)勘察軍事、觀測(cè)空間、測(cè)量大氣以及無線通信等功能。但是，由于平流層的環(huán)境特殊多變，因此要加強(qiáng)平流層飛艇的控制與推進(jìn)技術(shù)研究，保證飛艇在浮空、回收以及升空等階段的控制。本文針對(duì)平流層飛艇的控制組成與控制難點(diǎn)進(jìn)行展開討論，希望能夠保證飛艇在平流層中的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 平流層;飛艇;控制;推進(jìn)技術(shù)

就現(xiàn)實(shí)中工程系統(tǒng)來說，主要由物質(zhì)、信息、能量等三部分構(gòu)成，通過這三部分能夠基本掌握工程系統(tǒng)的相關(guān)情況。在飛行器系統(tǒng)中，這三個(gè)元素即是指材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制與管理工作以及動(dòng)力與推進(jìn)等。近空間，作為這幾年我國(guó)著重研究的空間資源，為了進(jìn)一步挖掘近空間的價(jià)值與功能，相關(guān)部門致力于探索空間飛行器的有效研制，即平流層飛艇，希望早日實(shí)現(xiàn)利用平流層飛艇對(duì)空間資源進(jìn)行開發(fā)的目標(biāo)。

平流層飛艇的基本功能

飛艇主要以浮力原理升空為基礎(chǔ)，并具備控制飛行與推進(jìn)裝置的飛行器。在實(shí)際的運(yùn)行中，平流層飛艇的用途包括：

獲取有效信息

平流層平臺(tái)，能夠監(jiān)視或者偵聽熱點(diǎn)區(qū)，并以高分辨率對(duì)不同目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。例如，運(yùn)用平流層飛艇對(duì)交通樞紐加以監(jiān)視，在海防、交通管理方面發(fā)揮著重要作用。

分發(fā)與通信

平流層飛艇能夠有效交換數(shù)據(jù)信息，并建立起個(gè)人通信基站，為客戶提供高效的寬帶數(shù)字通信業(yè)務(wù)。相較于通信衛(wèi)星，平流層飛艇對(duì)于設(shè)備發(fā)射功率要求不高，通信更加的便利。

定位導(dǎo)航

平流層平臺(tái)導(dǎo)航定位體系，主要由地面微波轉(zhuǎn)發(fā)站、平流層飛艇、用戶接收機(jī)以及地面控制站等組成，能給交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的飛機(jī)、車、船等機(jī)動(dòng)載體提供精確的導(dǎo)航信息，以便于實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。平流層飛艇的定位導(dǎo)航功能可以充分滿足交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及防災(zāi)減災(zāi)等社會(huì)需求當(dāng)中。

完善平流層飛艇動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

平流層飛艇動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，主要作用在于：為保證飛艇的浮空飛行提供充足動(dòng)力，主要由動(dòng)力裝置、推進(jìn)裝置以及能源裝置等組成。

平流層飛艇能源裝置

在低空飛艇運(yùn)行中，主要以優(yōu)質(zhì)輕柴油、航空汽油、航空煤油等作為基本燃料，并借助于燃料將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而保證飛艇的飛行動(dòng)力。但是平流層與低空存在較大差異，平流程的大氣密度低，若采取普通燃油式發(fā)動(dòng)機(jī)將難以順利開展工作，如果平流層飛艇自帶燃油，由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量較大，將降低飛艇的攜帶量。同時(shí)，由于平流層的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，因此平流層飛艇可以借助于太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，保證飛艇能源。

平流層飛艇動(dòng)力裝置

在平流層飛艇中，主要借助于太陽(yáng)能電池為直流電，飛艇以直流電作為主要?jiǎng)恿Γ虼似搅鲗语w艇中主要借助于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來完善裝置產(chǎn)生推力。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)主要分為交流電動(dòng)機(jī)與直接電動(dòng)機(jī)兩種，都能夠應(yīng)用于飛艇之中，應(yīng)該綜合考慮平流層的實(shí)際情況按需求選擇。其中，雖然說交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與啟動(dòng)性能較差，但是如果需要的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單軸較多，則電磁鐵交流感應(yīng)電機(jī)則更具有使用優(yōu)勢(shì)：當(dāng)一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障或者需要停止工作時(shí)，只需要直接停機(jī)即可，其他電機(jī)仍然能夠保持正常運(yùn)行，不會(huì)對(duì)其他電動(dòng)機(jī)造成損害。而直流電動(dòng)機(jī)，更適用于總線，本身的力矩—轉(zhuǎn)速特性相對(duì)易于控制，并且平滑無極調(diào)速特征較強(qiáng)。在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中，便是充分運(yùn)用直流電機(jī)的調(diào)速性能。兩種電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)該根據(jù)平流層實(shí)際情況決定，其中永磁無刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用較為廣泛。

平流層飛艇推進(jìn)裝置

當(dāng)前，平流層飛艇主要以高空螺旋槳作為推進(jìn)裝置中的推進(jìn)器，原因在于螺旋槳質(zhì)量相對(duì)較輕，能夠驅(qū)動(dòng)低速飛行器。相較于普通螺旋槳設(shè)計(jì)來說，高空螺旋槳主要適用于平流層稀薄的環(huán)境。在平流層飛艇運(yùn)行中，高空螺旋槳主要安裝與飛艇的艇首或者艇尾位置，并按照平流層任務(wù)、環(huán)境等合理分配螺旋槳的數(shù)量與運(yùn)行效率等。

探究平流層飛艇的飛行控制策略

平流層飛艇的控制過程

首先，平流層飛艇控制模式。其一，再定點(diǎn)機(jī)動(dòng)模式，主要借助于升降舵來保持與控制高度，并借助于推力對(duì)巡航機(jī)動(dòng)或者盤旋加以控制，然后通過壓差實(shí)現(xiàn)控制;其二，定點(diǎn)保持模式，可以運(yùn)用腹部矢量推力器進(jìn)行保持高度，并借助于矢量推力對(duì)風(fēng)干擾進(jìn)行抵御，保證定點(diǎn)的懸停;其三，巡航跟蹤模式。這一模式同樣需要借助于升降舵控制高度，并運(yùn)用升降舵與方向舵來控制姿態(tài)，借助于推理對(duì)巡航加以跟蹤。

其次，平流層飛艇平臺(tái)的控制。其一，飛艇荷載平臺(tái)的控制，主要將平臺(tái)與艇體進(jìn)行連接，借助于艇體為平臺(tái)提供電能。在這過程中需要運(yùn)用陀螺儀測(cè)量，并借助于反作用飛輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一體化線路;其二，位置調(diào)整段。借助于升降舵來控制高度，并運(yùn)用推力對(duì)巡航飛行、巡航速度加以控制;其三，控制高度逼近段。運(yùn)用氣囊壓力對(duì)飛艇的尾翼加以控制，調(diào)整姿態(tài)。調(diào)整速度，保證上升與下降的速度。在高度上升的過程中應(yīng)該保證壓差。

平流層飛艇控制難點(diǎn)

其一，要準(zhǔn)確分析可變大氣環(huán)境與風(fēng)場(chǎng)影響下的變參數(shù)飛艇的動(dòng)力變化情況;其二，要科學(xué)設(shè)計(jì)平流層飛艇的飛行壓力、飛行溫度等;其三，要準(zhǔn)確分析氣動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)飛行控制性能產(chǎn)生的影響;其四，應(yīng)該合理處理平流層飛艇導(dǎo)航、環(huán)境測(cè)量相關(guān)信息。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，在近空間資源的開發(fā)利用中，平流層飛艇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。自從我國(guó)第一艘飛艇問世以來，人們已經(jīng)積極探索飛艇技術(shù)，并作出極大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)、能源技術(shù)以及新技術(shù)材料等不斷涌現(xiàn)，使得平流層飛艇的應(yīng)用發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。故此，為了進(jìn)一步促進(jìn)平流層飛艇的有效控制與推進(jìn)，相關(guān)研發(fā)部門應(yīng)該把握發(fā)展機(jī)遇，創(chuàng)新飛艇的控制技術(shù)，促進(jìn)平流層的發(fā)展。

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