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1、第42卷第4期力学进展Vol.42No.42012年7月25日ADVANCESINMECHANICSJuly25,2012平流层飞艇动力学与控制研究进展李智斌1;2;y吴雷1;2张景瑞3李勇41北京控制工程研究所,北京1001902空间智能控制技术重点实验室,北京1001903北京理工大学宇航学院,北京1000814中国空间技术研究院,北京100094摘要本文简要介绍了飞艇的发展沿革和研究现状.通过同传统的航空器、航天器、潜艇和低空飞艇进行比较,阐述了平流层飞艇的飞行原理.从基本运动模型和复杂受力情况的角度,系统地讨论了飞艇动
2、力学研究进展,包括空气动力学研究、静力分析、热力学分析、柔性体动力学及流固耦合研究.然后综述了飞艇控制方法研究进展,包括小扰动线性化控制、输入输出反馈线性化控制、基于Lyapunov非线性稳定性的控制及其他控制方法.最后展望了在平流层飞艇动力学与控制领域需要从6个方面加强研究.关键词平流层飞艇,飞行力学,空气动力学,热力学,控制1引言20世纪70年代初,由于充氦等技术不断成熟,飞艇再度引起人们的兴趣,主要用于航拍、广告宣1.1飞艇的发展沿革与研究现状传和观光旅游等.有报道称美国拟发展巨型飞艇1852年法国人亨利吉法尔成功制造出
3、人类“海象”用于人员及装备运输.第一艘飞艇,19世纪末20世纪初冯齐柏林让德国成为最先进的飞艇技术大国,使飞艇成为20世然而,迄今为止所有实用的飞艇都还只能在纪前30年横跨欧美上空最耀眼的交通工具.然而,几千米以下的低空作短暂的飞行.能否让飞艇飞得更高和更久呢?Khoury[1]明确地提出了平流层1937年Hindenburg飞艇因所充易燃氢气诱发重大事故,从此飞艇被空中“油老虎”—–飞机所取代.太阳能飞艇的基本概念(图1).图1平流层太阳能飞艇示意图收稿日期:2011-06-16,修回日期:2011-12-12doi:10.
4、6052/1000-0992-11-092国家自然科学基金资助项目(11072028)yE-mail:lzb9985@163.com第4期李智斌等:平流层飞艇动力学与控制研究进展483Toshitaka等[2]指出,平流层基本气候条件相将平流层飞艇确定为临近空间分系统的目标平台,对平稳,非常利于飞艇悬停.它可以对卫星和飞机航空、航天、电子、科学院等系统和多所高校竞相的功能进行延伸和补充,显著地提升现有航空航开展平流层飞艇研究.天格局[3]:与卫星相比,它可以重复使用,在更宽1.2平流层飞艇的飞行原理和特点广的纬度上空悬停,容易
5、实现更高的分辨率;与飞机相比,它覆盖范围广,采用绿色环保能源,可长目前绝大多数关于飞艇动力学与控制的文献[8-14]都是针对软式飞艇进行研究的.同传统的达数月到数年长航时留空工作.正是由于其诱人的应用前景,从20世纪90年航空器、航天器、航海器和低空飞艇相比,平流层代以来,国际上掀起发展平流层飞艇的高潮[4].飞艇的飞行原理有其新的特点.俄罗斯1992年成立阿夫古力浮空器中心,正从表面上看,飞艇在大气层飞行和工作,似乎在实施“金雕”平流层飞艇计划方案,可部分代替可以直接划归航空器的范畴.但实际上,飞艇的速静止卫星,用于通信、观测
6、和其他军事目的.日本度非常低,同大多数利用空气动力来平衡重力的JAXA从1998年开始平流层飞艇研究,计划用15航空器相比具有本质的区别,它是靠内部气体工个平流层平台覆盖全部国土面积.韩国2000年开质产生的浮力来平衡重力,其平均密度虽然比飞始实施分三步走的平流层飞艇发展计划.以色列机的密度小得多,但其巨大的体积决定了大惯性、计划的侦察飞艇目标高度为21km.ESA于1998大滞后和巨型柔性体的本质,因此需要充分考虑年发起HALE平台研究计划,由Lindstrand公司和大气绕流场流体惯性力引起的附加质量效应.Daimler-C
7、hrysler公司联合进行了可行性论证和概同入轨飞行的航天器相比.众所周知,对在轨念设计.英国ATG公司2002年开始实施“天猫飞行的地球卫星来说,可以利用高速飞行产生的(SkyCat)”高空无人飞艇计划,并正与马来西亚合离心力来平衡地心引力,其轨道运动基本遵循二作研制平流层目标艇.德国SanswireTAO公司与体引力和第一宇宙速度的作用围绕地球进行开普斯图加特大学合作研制Airworm和Airchain链式勒运动,一旦姿态与轨道运动状态保持稳定后,所多气囊平流层飞艇.受到的干扰作用(力/力矩)主要包括地球非球形、美国陆军19
8、96年开始执行以高空哨兵(Hi-气动作用、地磁作用、重力梯度、太阳光压等,但Sentinel)为代表的“浮空器先进技术演示计划”;美其影响都是相当小的.而平流层飞艇作为一种近国防部导弹防御局2002年启动“高空飞艇(HAA)空间低速飞行器,同其几乎可以忽略的速度
