一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法技术

一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，涉及一种飞艇浮重平衡控制方法。驻空阶段氦气充满整个主囊体，计算主囊体内部氦气质量，计算驻空阶段的氦气密度，计算飞艇整体质量，假设主囊体内氦气在上升和下降阶段质量不变，计算任一高度处氦气的体积，求出任一高度处氦气的密度，在主囊体体积和任一高度处氦气的体积已知的情况下可求出空气囊体积，之后再计算出空气质量，计算出空气密度，求出飞艇处于任一高度处主囊体内氦气与空气交界处的位置，再求主囊体任一高度处的梯度压差，辅助控制飞艇的上升与下降。考虑了零压或负压的情况，能够计算出任一高度处主囊体内空气和氦气的质量、体积，辅助控制浮重平衡。

A floating weight balance control method of Airship Based on interaction of air bag and helium bag

An airship floating weight balance control method based on the interaction of air bag and helium bag relates to an airship floating weight balance control method. In the stationary phase, helium fills the whole main capsule, calculates the mass of helium in the main capsule, calculates the density of helium in the stationary phase, and calculates the mass of the airship. Assuming that the mass of helium in the main capsule remains unchanged in the rising and falling phases, calculates the volume of helium at any height, and calculates the density of helium at any height. If the volume of helium in the main capsule and the volume of helium at any height are known Then the air mass and air density can be calculated. The position of airship at the junction of helium and air in the main capsule at any height can be calculated. Then the gradient pressure difference at any height of the main capsule can be calculated to help control the rise and fall of airship. Considering the situation of zero pressure or negative pressure, the mass and volume of air and helium in the main capsule at any height can be calculated, and the floating weight balance can be controlled.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法
本专利技术涉及一种飞艇浮重平衡控制方法，尤其是一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法。
技术介绍
平流层空间距离地表高度为20～100km，位于对流层之上及电离层之下，天气气候稳定，几乎无电磁干扰，其独特的环境优势和军民用应用价值，成为世界各国关注的热点。平流层飞艇为平流层空间长时间持续飞行的飞行器代表，在通信中继、导航定位、气象观测、空间探测等领域有着广泛的应用前景和发展潜能，美、日、英、俄等许多国家正投入大量经费进行研发，平流层飞艇进入快速发展时期。目前，飞艇浮重平衡的计算方法只考虑在驻空阶段，飞艇内部为正压的情况，未考虑在上升和下降过程中零压或负压的情况，不能准确的计算出某个高度处主囊体内空气、氦气所占的质量、体积。因此，十分需要一种考虑飞艇的主囊体内部为零压或负压的情况，并能够计算任一高度处主囊体内空气和氦气的质量、体积，以更好的辅助控制飞艇浮重平衡的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体结构，飞艇的主囊体内设置有隔膜与主囊体内部下方围合成空气囊，主囊体内位于隔膜上方设置有多个氦气囊，所述控制方法包括：在驻空阶段，空气全部排出，氦气充满整个主囊体，通过下述公式一计算主囊体内部氦气质量：其中P表示外部空气压强与主囊体内部压差之和；V表示主囊体体积；M表示氦气的摩尔质量；R表示理想气体状态方程常数；T表示主囊体内稳态温度，通过下述公式二计算驻空阶段的氦气密度：其中ρ表示气体密度；m表示气体质量；V表示气体密度，通过下述公式三计算飞艇整体质量，在驻空阶段飞艇整体质量等于浮力：其中ρc表示主囊体外部空气与内部气体的密度差；h表示主囊体内测量点距离主囊体内该气体所在最低点的垂直高度；g取值为10N/kg；V表示主囊体体积；m表示飞艇整体质量，假设主囊体内氦气在上升和下降阶段质量不变，根据下述公式四计算任一高度处氦气的体积：P1V1＝P2V2，其中P1表示驻空阶段主囊体内部压强；V1表示主囊体体积；P2表示在上升和下降阶段的主囊体内部压强；V2表示任一高度处氦气的体积，通过公式二和公式四即可求出任一高度处氦气的密度，在主囊体体积V1和任一高度处氦气的体积V2已知的情况下可求出空气囊体积，公式五：Vair＝V1-V2，其中Vair表示空气囊体积；V1表示主囊体体积；V2表示氦气体积，之后再通过公式一计算出空气质量，通过公式二计算出空气密度，通过下列公式六求出飞艇处于任一高度处主囊体内氦气与空气交界处的位置h'：其中，a表示椭球长轴尺寸；b表示椭球短轴尺寸，再通过下述公式七求主囊体任一高度处的梯度压差：Δpgra(h)＝(ρair-ρhe)gh＝ρcgh，其中，ρair表示某一高度的空气密度；ρhe表示主囊体内氦气的平均密度，通过上述公式一～公式七辅助计算浮重平衡控制飞艇的上升与下降，具体为对空气质量的行控制，在飞艇上升时逐渐排出空气囊内的空气，使得飞艇重力小于浮力，从而上升，下降时逐渐吸入空气，使得飞艇重力大于浮力，从而下降。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术考虑了飞艇的主囊体内部为零压或负压的情况，能够计算出任一高度处主囊体内空气和氦气的质量、体积，辅助控制飞艇的浮重平衡，为飞艇的浮重平衡的控制具有良好的借鉴意义。附图说明图1是飞艇的主囊体的几何外形示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。具体实施方式一：本专利技术公开了一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体结构，飞艇的主囊体内设置有隔膜与主囊体内部下方围合成空气囊，主囊体内位于隔膜上方设置有多个氦气囊，所述控制方法包括：在驻空阶段，空气全部排出，氦气充满整个主囊体，通过下述公式计算主囊体内部氦气质量：其中P表示外部空气压强与主囊体内部压差之和；V表示主囊体体积；M表示氦气的摩尔质量(0.004kg/mol)；R表示理想气体状态方程常数(8.314)；T表示主囊体内稳态温度(视为与大气温度相等)，通过下述公式计算驻空阶段的氦气密度：其中ρ表示气体密度；m表示气体质量；V表示气体密度，通过下述公式计算飞艇整体质量(在驻空阶段飞艇整体质量等于浮力)：其中ρc表示主囊体外部空气与内部气体的密度差；h表示主囊体内测量点距离主囊体内该气体所在最低点的垂直高度；g取值为10N/kg；V表示主囊体体积；m表示飞艇整体质量，假设主囊体内氦气在上升和下降阶段质量不变，根据下述公式计算任一高度处氦气的体积：P1V1＝P2V2(4)其中P1表示驻空阶段主囊体内部压强；V1表示主囊体体积；P2表示在上升和下降阶段的主囊体内部压强；V2表示任一高度处氦气的体积，通过公式(2)和(4)即可求出任一高度处氦气的密度，在主囊体体积V1和任一高度处氦气的体积V2已知的情况下可求出空气囊体积，Vair＝V1-V2(5)其中Vair表示空气囊体积；V1表示主囊体体积；V2表示氦气体积，之后再通过公式(1)计算出空气质量，通过公式(2)计算出空气密度，通过下列公式求出飞艇处于任一高度处主囊体内氦气与空气交界处的位置h'：其中，a表示椭球长轴尺寸；b表示椭球短轴尺寸，再通过下述公式求主囊体任一高度处的梯度压差：Δpgra(h)＝(ρair-ρhe)gh＝ρcgh(7)其中，ρair表示某一高度的空气密度；ρhe表示主囊体内氦气的平均密度，通过上述公式辅助计算浮重平衡控制飞艇的上升与下降，具体为对空气质量进行控制，在飞艇上升时逐渐排出空气囊内的空气，使得飞艇重力小于浮力，从而上升，下降时逐渐吸入空气，使得飞艇重力大于浮力，从而下降。实施例：如图1所示，飞艇的主囊体的几何外形为：其中a＝32.527m，b＝15.136m，飞艇总体积37680m3，在驻空阶段(20km)，飞艇的主囊体内部压力为50Pa，由公式(1)计算得到氦气质量为466.83kg，在驻空阶段，氦气囊内压差从50Pa变为300Pa，只需要吸入41.84kg(相比466.83kg,忽略不计，这样无需迭代，简化计算)氦气即可，假设主囊体内氦气的质量一定，在上升阶段，氦气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体结构，飞艇的主囊体内设置有隔膜与主囊体内部下方围合成空气囊，主囊体内位于隔膜上方设置有多个氦气囊，其特征在于：所述控制方法包括：/n在驻空阶段，空气全部排出，氦气充满整个主囊体，通过下述公式一计算主囊体内部氦气质量：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空气囊和氦气囊交互的飞艇浮重平衡控制方法，飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体结构，飞艇的主囊体内设置有隔膜与主囊体内部下方围合成空气囊，主囊体内位于隔膜上方设置有多个氦气囊，其特征在于：所述控制方法包括：
在驻空阶段，空气全部排出，氦气充满整个主囊体，通过下述公式一计算主囊体内部氦气质量：



其中P表示外部空气压强与主囊体内部压差之和；V表示主囊体体积；M表示氦气的摩尔质量；R表示理想气体状态方程常数；T表示主囊体内稳态温度，
通过下述公式二计算驻空阶段的氦气密度：



其中ρ表示气体密度；m表示气体质量；V表示气体密度，
通过下述公式三计算飞艇整体质量，在驻空阶段飞艇整体质量等于浮力：



其中ρc表示主囊体外部空气与内部气体的密度差；h表示主囊体内测量点距离主囊体内该气体所在最低点的垂直高度；g取值为10N/kg；V表示主囊体体积；m表示飞艇整体质量，
假设主囊体内氦气在上升和下降阶段质量不变，根据下述公式四计算任一高度处氦气的体积：
P1V1＝P2V2，

【专利技术属性】
技术研发人员：谭惠丰，林国昌，王长国，张季，马腾，马瑞强，高伟楠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23