参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法技术

本发明专利技术属于平流层飞艇技术领域，提供一种参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，首先进行氦气质量和泄漏率参数的计算；其次基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，基于氦气泄漏率参数，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度和飞艇的纵向运动，获得飞艇的高度值；最后依据飞艇高度，判断飞艇是否浮重失衡。本发明专利技术基于氦气的泄漏状态，由此获取飞艇的驻空高度，通过驻空高度预估飞艇的后续可驻空时长，为飞艇的飞行决策提供了有力的保障支持。

【技术实现步骤摘要】
参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法
本专利技术属于平流层飞艇
，特别涉及一种多囊体平流层飞艇浮重平衡在线评估方法。
技术介绍
平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，它依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操控飞行。平流层飞艇部署于平流层高度空间，侦察范围广，不易受到攻击。作为一种新型的运载平台，其搭载不同功能载荷时，可执行侦察预警、通信中继等任务，军用和民用领域有巨大的应用前景。平流层飞艇的驻空时间是平流层飞艇的关键能力指标之一，对浮重平衡的评估既是对飞艇指标的评估，也是一种飞行趋势的预测，可提前预测得到飞艇浮重失衡时间，为飞行决策提供支持。有别于单囊体飞艇，多囊体平流层飞艇除了氦气囊之外，还有空气囊，用于调节飞艇浮重，维持飞艇气动外形。多囊体平流层飞艇飞行时，始终处于保形的状态。空气囊的存在使得飞艇的动力学模型和热力学模型更加复杂，计算过程也更加繁琐。目前，在平流层飞艇仿真领域，平流层飞艇的热力学模型仿真和动力学仿真均有成熟技术研究，但是对于多囊体平流层飞艇的浮重平衡的评估标准、评估方法少有研究，对于多囊体平流层飞艇的在线评估和参数适应未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决多囊体平流层飞艇的在线评估和参数适应的技术问题。为达到上述目的，解决上述技术问题，本专利技术提供一种参数自适应的多囊体平流层飞艇浮重平衡在线评估方法，包括如下步骤：步骤一、氦气质量和泄漏率参数的计算假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔPHe，飞艇内部空气囊内空气温度为Tair，内外压差为ΔPair,外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔPHe,空气囊内气压为Patm+ΔPair；由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，Mair＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；驻空阶段，多囊体飞艇浮力为B＝ρatmVairshipg(3)其中，ρatm为飞艇驻空高度处的大气密度，Vairship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和；G＝(mnet+mair+mHe)g＝(mnet+ρairVair+ρHeVHe)g(4)驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于重力，即：ρatmVairship＝mnet+ρairVair+ρHeVHe(5)多囊体飞艇始终维持气动外形，氦气体积和空气体积之和为飞艇的总体积，即Vairship＝Vair+VHe(6)(5)(6)式联立，即可求得氦气体积和空气体积分别为：Vair＝Vairhsip-VHe(8)氦气和空气的质量分别为：mHe＝ρHeVHe(9)mair＝ρairVair(10)为了形成参数自适应，即飞艇驻空飞行过程中，氦气泄漏率和氦气的余量需要不停的进行实时的更新迭代，利用公式(9)、(10)可以对飞艇的氦气余量和氦气泄露率进行实时的持续计算和修正，根据氦气余量实时变化曲线，采用氦气余量区域趋于稳定变化时间段内的氦气余量进行线性拟合，即可得到氦气泄漏率参数；步骤二、基于平流层飞艇的纵向动力学过程和热力学环境构建多囊体平流层飞艇热力学模型和纵向动力学模型，基于步骤一获得的氦气泄漏率参数，计算和预估不同时刻平流层飞艇内部氦气温度和飞艇的纵向运动，获得飞艇的高度值；进一步的，热力学环境主要包含太阳辐射、太阳散射、地面太阳反射、地面红外辐射、天空红外辐射、囊体对外的红外辐射、外部大气与囊体之间的强制对流和自然对流、内部氦气与囊体之间的自然对流、内部氦气和空气的热交换。步骤三、多囊体平流层飞艇的浮重平衡评估根据飞艇高度，即可判断飞艇浮重失衡，当多囊体飞艇高度降低到设定高度以下即可认为飞艇浮重失衡。本专利技术的有效收益为：1、本专利技术针对多囊体平流层飞艇驻空飞行过程中氦气泄漏导致的浮重失衡问题进行评估分析，因为平流层飞艇体积大，表面积也大，飞艇囊体通常不能完全防止氦气的泄露发生，发现氦气是飞艇驻空飞行的浮力来源，氦气泄漏会导致飞艇浮力不足，浮重失衡，飞艇无法维持驻空状态而进入下降程序；2、本专利技术通过平流层飞艇驻空过程中获取遥测参数中的温度、压力等数据，对飞艇中的氦气余量和氦气泄露率进行分析计算，可以有效评估飞艇内部的氦气余量和氦气泄漏率；3、本专利技术基于氦气的泄漏状态，由此获取飞艇的驻空高度，通过驻空高度预估飞艇的后续可驻空时长，为飞艇的飞行决策提供了有力的保障支持。附图说明图1为平流层飞艇浮重平衡评估流程示意图；图2为平流层飞艇热环境示意图；图3为平流层飞艇内部氦气温度计算结果；图4为平流层飞艇飞行高度计算结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于所述实施例。本专利技术的流程如图1所示，包括如下步骤：步骤一、氦气质量和泄漏率参数计算在平流层飞艇驻空飞行过程中，飞艇的氦气泄漏是飞艇浮重失衡的主要原因，因此，飞艇内部现有氦气质量和氦气泄漏率为飞艇浮重失衡的关键参数。飞艇驻空飞行过程中，可根据遥测数据，实时获取飞艇内部气体的压力和温度参数，计算飞艇内部氦气和空气的质量、拟合飞艇的氦气泄漏率。假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔPHe，飞艇内部空气囊内空气温度为Tair，内外压差为ΔPair,外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔPHe,空气囊内气压为Patm+ΔPair。由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，Mair＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数。多囊体飞艇飞行时，始终处于保形的状态，飞艇体积始终为最大设计体积，因此，需要确定氦气和空气的体积占比，才能计算的到囊体内部氦气和空气的质量。驻空阶段，多囊体飞艇浮力为B＝ρatmVairshipg(3)其中，ρatm为飞艇驻空高度处的大气密度，Vairship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和。G＝(mnet+mair+mHe)g＝(mnet+ρairVair+ρHeVHe)g(4)驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，其特征在于，包括下述步骤：/n步骤一、氦气质量和泄漏率参数的计算/n假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为T

【技术特征摘要】
1.参数自适应多囊体平流层飞艇浮重平衡评估方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一、氦气质量和泄漏率参数的计算
假定飞艇内部氦气囊内氦气的遥测温度为THe，遥测内外压差为ΔPHe，飞艇内部空气囊内空气温度为Tair，内外压差为ΔPair，外部大气压力经查询气象信息为Patm，则可计算得到飞艇内部氦气气压为Patm+ΔPHe，空气囊内气压为Patm+ΔPair；由理想气体方程，可以分别计算得到飞艇内部氦气和空气的密度分别为：






其中，ρHe为氦气密度，MHe＝0.004kg/mol为每摩尔氦气分子的质量，Mair＝0.029kg/mol为每摩尔空气分子的等效质量，R＝8.314J/(K·mol)，为气体常数；
驻空阶段，多囊体飞艇浮力为
B＝ρatmVairshipg(3)
其中，ρatm为飞艇驻空高度处的大气密度，Vairship为飞艇的最大设计体积，g为重力加速度。
飞艇的重力等于飞艇内部气体的重力和飞艇结构重力之和；
G＝(mnet+mair+mHe)g＝(mnet+ρairVair+ρHeVHe)g(4)
驻空阶段，多囊体飞艇始终处于准浮重平衡状态，浮力等于重力，即：
ρatmVairship＝mnet+ρairVair+ρHeVHe(5)
多囊体飞艇始终维持气动外...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿宝刚，叶虎，张永栋，宁辉，李云飞，刘源，卢都，王紫薇，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六六零部队，
类型：发明
国别省市：新疆;65