一种平流层飞艇定点安全回收方法技术

一种平流层飞艇定点安全回收方法，包括：平流层飞艇定点安全回收策略、平流层飞艇安全回收预测降落轨迹算法、平流层飞艇低空安全回收方法及平流层飞艇安全回收装置设计方法。该方法实现飞艇的定点安全返场回收，易于实现，保证飞艇部件100％完好回收。飞艇配备高低空两套推进系统，无需额外添加调速与变桨矩机构，适应高低空飞行工况，增加了其动力系统可靠性。本方法中预测降落技术使飞艇无需在急风区进行大动力机动飞行，降低了其动力系统和能源系统的设计约束，降低了急风区进行动力飞行所带来的风险。降落装置的设计可有效降低飞艇降落过程中由于侧风所引起的飞行事故，提高回收安全性；回收平台可大幅度降低未知风险，提高回收效率。

A fixed point safety recovery method for Stratospheric Airship

A fixed point safety recovery method for stratospheric airship, including stratospheric airship fixed-point safety recovery strategy, stratospheric airship safety recovery prediction landing trajectory algorithm, stratospheric airship low altitude safety recovery method and stratospheric airship safety recovery device design method. The method realizes the fixed point safety return of airship, and is easy to realize. It ensures that 100% of airship parts are recovered intact. The airship is equipped with two sets of propulsion systems with high and low altitude, without additional speed regulation and torque converter, to adapt to the high and low altitude flight conditions, and increase the reliability of its power system. In this method, the prediction and landing technology makes the airship do not have to maneuver in a fast wind area, reduce the design constraints of its power system and energy system, and reduce the risk caused by the dynamic flight in the rush area. The design of the landing device can effectively reduce the flight accidents caused by the side wind in the landing process of the airship, and improve the recovery security. The recovery platform can greatly reduce the unknown risk and improve the recovery efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种平流层飞艇定点安全回收方法
本专利技术提供一种平流层飞艇定点成形返场并安全回收方案，它为平流层飞艇提供一种易于实现的成形安全回收方案，属于平流层飞艇设计

技术介绍
随着科技的不断发展，全球范围内的无线网络覆盖、地球遥感成像、空间观测、大气测量、资源监控以及军事侦察等方面的需求越来越强烈。发展可靠的平流层飞行器平台是解决上述需求问题的有效手段之一。平流层飞艇是目前主流的平流层低动态平台，相对于其他类型飞行器，平流层飞艇具有驻留时间长、造价低廉、覆盖区域广、响应相对迅速等优点，因而成为近年来各国争相发展的热点领域之一。作为开发临近空间的工具，平流层飞艇必须具备完整的升空、驻空与降落能力。平流层飞艇的升空与驻空环节已提出了多种方案，并得到了相应的飞行试验验证；其降落方案尚未有相对成熟的解决方案。目前，绝大多数的平流层飞艇降落为非成形降落。非成形降落方案实现简单，易于控制。但是，非成形降落方案随机性较大，无法保证所有部件100％完好定点回收。因此，开发具备高可靠性、高复用能力的降落方案是实现平流层飞艇应用的重要内容之一。平流层飞艇惯量较大、动力系统相对较弱，横跨高空和低空两个空域的飞艇控制难度较大，因此平流层飞艇的精确返场回收技术难度较高。此外，大型低空常规飞艇返场飞回艇库时易受侧风影响，发生碰撞事故，存在较大的安全隐患，是飞艇应用受限的原因之一。平流层飞艇实现高可靠性回收，需解决大尺寸、大惯量飞行器精确安全返场问题，避免返场事故发生。
技术实现思路
本专利技术从工程实际出发，利用现有平流层飞艇技术，结合其降落实际工况，提供了一种具备高可靠性、高复用能力的成形安全回收方案。本专利技术的流程为：平流层飞艇定点成形返场回收方案由机动至预测落点、穿越急流区、低空返场和降落回收四个步骤组成。首先，利用预测降落轨迹算法反向推算高空启动降落位置，并控制飞艇飞至该预定位置，关闭高空推进装置；然后，启动降落程序，利用主囊体阀门与副气囊阀门调节飞艇维形，快速穿越急流区；接着，在飞艇抵达预定高度后，启动低空推进装置，控制飞艇飞至地面降落区域上空(低空三维降落)；最后，飞艇抵达降落位置上空5～50m处，启动快速放气，使飞艇降落至预定保护区。本专利技术一种平流层飞艇定点成形返场方案由以下部分组成：1.平流层飞艇定点安全回收策略如图1所示，平流层飞艇定点安全回收方策略由以下四个步骤组成：机动至预测起始落点、安全穿越急流区、低空安全返场和安全降落回收。平流层飞艇经过降落轨迹预测算法，解算出降落至预定落点所需的高空位置，机动飞行至高空预定位置启动降落程序；利用浮力调节系统进行飞艇维形，快速安全穿越对流层急流区；利用低空推进系统进行低空返场机动；机动至预定降落装置后实施快速放气与分解回收。2.平流层飞艇安全回收预测降落轨迹算法平流层飞艇降落时所需穿越的对流层气象环境复杂，部分高度急风区风速可达50m/s。且随着高度变化，大气密度变化剧烈，飞艇动力系统的效率波动较大。因此，体积庞大、动力较弱的飞艇无法在急风区保持持续动力飞行，需要无动力快速穿越急流区。本方案中在启动降落前，平流层飞艇利用预测降落算法计算在当前风场环境下降落至回收场上空所需要的高空启动点，规划由当前位置飞行至该启动点的直线航路，并对其进行跟踪，使飞艇飞行至该位置，关闭高空动力系统，启动降落程序。3.平流层飞艇低空安全回收方法由于气象预报和预测降落模型的误差，飞艇在降至低空时，会与回收场的平面位置具有一定误差，本方案利用低空机动回收方法消除此误差。首先，根据平流层飞艇当前位置与回收场位置规划三维航路；然后，启动低空动力系统，利用三维路径跟踪算法跟踪该航路，机动至降落装置上空5～50m处，进行快速放气，实施分解回收。4.平流层飞艇安全回收装置设计方案本方案针对平流层飞艇自身特点进行降落回收装置设计，改进常规飞艇返场降落方案。如图所示，降落装置避开高大建筑区，布置于平坦开阔地面。降落装置主体为布有充气式缓冲拉网的大面积柔性平台。飞艇低空机动飞行至柔性平台上空5～50m处后，关闭所有推进系统，打开所有阀门，实施快速放气，使飞艇以较小的速度降落至柔性平台，降落过程中注意保护囊体和其他部件；降落完成后，工作人员对飞艇各部件进行分解回收。回收完成进行转场运输，对其进行全面检测与维护，准备进行下次飞行任务。下面将本专利技术的技术方案详述如下：一种平流层飞艇定点安全回收方法，包括下述四个步骤：步骤一：机动至预测降落启动点(20km以上空域，风速低于平流层飞艇高空额定巡航速度，约为25m/s)1)平流层飞艇根据当前风场和预定降落区域位置，利用预测降落算法计算高空开始实施降落程序时所需的初始位置。其中，该当前风场由气象保障部门按照固定时间间隔与高度间隔提供，且该当前风场为预测数据；该预定降落区域位置为定点回收场固定位置；该初始位置为飞艇由组合导航设备所测得的当前实际位置；该预测降落算法由飞艇六自由度运动学与动力学模型、热力学模型与外部风场构成，主要用于估算飞艇在维持形状的前提下依靠重力无动力穿越高空至低空区间的水平面内位置变化。2)平流层飞艇利用航路规划算法规划由飞艇当前位置飞往高空启动降落时的预定位置的平面航路。其中，启动降落点位置由上步预测降落落点在相反方向平移得到。由于高空空域较为自由，因此所规划航路一般为直线航路。3)平流层飞艇利用航路跟踪算法跟踪上述所规划航路，飞行至预定的高空启动降落点。该航路跟踪算法由三部分构成：制导律、姿态跟踪算法及控制分配算法；制导律根据当前位置和期望位置差解算期望姿态；姿态跟踪算法计算跟踪该期望姿态所需的虚拟控制量；控制分配算法将上述虚拟控制量解算至飞艇实际控制量，如电机转速等；步骤二：成形穿越急流区(2～20km高度空域，无风速要求)1)在平流层飞艇飞至预定的高空启动降落位置后，关闭高空推进装置，同时打开氦气阀门，启动降落程序。其中，该氦气阀门的控制操作依据飞艇内外压差动态调节。2)在平流层飞艇维持气动外形无动力降落过程，需要通过调节浮力控制系统，对其囊体压差与降落速度进行调节。该浮力控制系统由飞艇的构型决定，如单囊体飞艇为氦气主阀门；组合囊体飞艇为主副气囊阀门，分别调节氦气囊与空气囊压强。3)在平流层飞艇降落至预定低空高度时，调节囊体压差至合理范围(维持囊体流线外形)后关闭氦气阀门，同时打开低空推进装置。步骤三：低空机动返场(距离地面50m～2km高度空域，风速小于平流层飞艇低空额定巡航速度，约为15m/s)1)在平流层飞艇抵达预定低空(如2km)高度时，由于预测模型与预报风场存在的误差，飞艇位置会偏离降落装置上空。飞艇根据当前低空风场、当前位置与降落装置位置，利用航路跟踪算法规划低空机动返场三维航路。2)平流层飞艇用三维航路跟踪算法跟踪前述所规划三维航路使飞艇机动至降落装置上空。该三维航路跟踪算法由三部分构成：三维制导律、姿态跟踪算法、控制分配算法，制导律根据当前位置和期望位置差解算跟踪三维航路所需的期望姿态，姿态跟踪算法计算跟踪该期望姿态所需的虚拟控制量，控制分配算法将上述虚拟控制量解算至飞艇实际控制量，如电机转速等；3)在平流层飞艇抵达降落装置上空5～50m高度时，关闭低空推进装置。步骤四：降落回收(50m以下高度空域，风速小于5m/s)1)在平流层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平流层飞艇定点安全回收方法，其特征在于，包括下述四个步骤：步骤1：机动至预测降落启动点1.1平流层飞艇根据当前风场和预定降落区域位置，利用预测降落算法计算高空开始实施降落程序时所需的初始位置；1.2平流层飞艇利用航路规划算法规划由飞艇当前位置飞往高空启动降落时的预定位置的平面航路；1.3平流层飞艇利用航路跟踪算法跟踪上述所规划航路，飞行至预定的高空启动降落点；步骤2：成形穿越急流区2.1在平流层飞艇飞至预定的高空启动降落位置后，关闭高空推进装置，同时打开氦气阀门，启动降落程序；2.2在平流层飞艇维持气动外形无动力降落过程，需要通过调节浮力控制系统，对其囊体压差与降落速度进行调节；该浮力控制系统由飞艇的构型决定，单囊体飞艇为氦气主阀门；组合囊体飞艇为主副气囊阀门，分别调节氦气囊与空气囊压强；2.3在平流层飞艇降落至预定低空高度时，调节囊体压差至合理范围后关闭氦气阀门，同时打开低空推进装置；步骤3：低空机动返场3.1在平流层飞艇抵达预定低空高度时，由于预测模型与预报风场存在的误差，飞艇位置会偏离降落装置上空；飞艇根据当前低空风场、当前位置与降落装置位置，利用航路跟踪算法规划低空机动返场三维航路；3.2平流层飞艇用三维航路跟踪算法跟踪前述所规划三维航路使飞艇机动至降落装置上空；3.3在平流层飞艇抵达降落装置上空5～50m高度时，关闭低空推进装置；步骤4：降落回收4.1在平流层飞艇低空机动返场的同时，布置降落装置进行降落准备，将安全回收平台布置至预定位置，并展开降落缓冲网；降落装置主体为布有充气式缓冲拉网的大面积柔性平台；4.2在飞艇飞至降落装置上空5～50m高度时，关闭低空推进装置，调整飞艇姿态使其与安全回收平台平行，关闭调姿装置，实施快速放气，使飞艇迅速降落至降落缓冲网上；然后，继续放气，同时利用锚固绳索将飞艇与缓冲拉网固定；降落完成后，工作人员对飞艇各部件进行分解回收；4.3回收完成后进行转场运输，进行全面检测与维护，准备下次飞行任务。...

【技术特征摘要】
1.一种平流层飞艇定点安全回收方法，其特征在于，包括下述四个步骤：步骤1：机动至预测降落启动点1.1平流层飞艇根据当前风场和预定降落区域位置，利用预测降落算法计算高空开始实施降落程序时所需的初始位置；1.2平流层飞艇利用航路规划算法规划由飞艇当前位置飞往高空启动降落时的预定位置的平面航路；1.3平流层飞艇利用航路跟踪算法跟踪上述所规划航路，飞行至预定的高空启动降落点；步骤2：成形穿越急流区2.1在平流层飞艇飞至预定的高空启动降落位置后，关闭高空推进装置，同时打开氦气阀门，启动降落程序；2.2在平流层飞艇维持气动外形无动力降落过程，需要通过调节浮力控制系统，对其囊体压差与降落速度进行调节；该浮力控制系统由飞艇的构型决定，单囊体飞艇为氦气主阀门；组合囊体飞艇为主副气囊阀门，分别调节氦气囊与空气囊压强；2.3在平流层飞艇降落至预定低空高度时，调节囊体压差至合理范围后关闭氦气阀门，同时打开低空推进装置；步骤3：低空机动返场3.1在平流层飞艇抵达预定低空高度时，由于预测模型与预报风场存在的误差，飞艇位置会偏离降落装置上空；飞艇根据当前低空风场、当前位置与降落装置位置，利用航路跟踪算法规划低空机动返场三维航路；3.2平流层飞艇用三维航路跟踪算法跟踪前述所规划三维航路使飞艇机动至降落装置上空；3.3在平流层飞艇抵达降落装置上空5～50m高度时，关闭低空推进装置；步骤4：降落回收4.1在平流层飞艇低空机动返场的同时，布置降落装置进行降落准备，将安全回收平台布置至预定位置，并展开降落缓冲网；降落装置主体为布有充气式缓冲拉网的大面积柔性平台；4.2在飞艇飞至降落装置上空5～50m高度时，关闭低空推进装置，调整飞艇姿态使其与安全回收平台平行，关闭调姿装置，实施快速放气，使飞艇迅速降落至降落缓冲网上；然后，继续放气，同时利用锚固绳索将飞艇与缓冲拉网固定；降落完成后，工作人员对飞艇各部件进行分解回收；4.3回收完成后进行转场运输，进行全面检测与维护，准备下次飞行任务。2.根据权利要求1所述的一种平流层飞艇定点安全回收方法，其特征在于：步骤1在20km以上空域，...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝明，陈天，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11