临近空间浮空器流-固-热耦合动力学模型与飞行机理研究

Near space aerostat is characterized by a flexible structure with huge size and large inertia. It has a wide flight envelope from the ground to the 20km altitude at the lower stratosphere and is equipped with both buoyancy/pressure control system and flight control system, so the system has strong fluid-solid-thermal coupling dynamics characteristics. Firstly, the atmospheric environment is analyzed based on experimental data and the environment data system is established. Then the fluid-solid-thermal coupling dynamics model of near space aerostat is derived by using a combination of theoretical analysis, wind tunnel test and flight test. The buoyancy and pressure system is designed through the balance analysis of buoyancy and gravity, and thrust configuration is designed through the wind resistance calculation. Finally, the multi-actuator coupling effect among pressure, buoyancy, aerodynamic force and thrust are considered, the coupling maneuvering dynamics model of the huge flexible airship system is established, and system maneuvering characteristics and driving capability are studied. Based on the all above, the full envelope flight mechanism can be revealed and the feasible control scheme of near space aerostat are expected to be given. An accurate fluid-solid-thermal coupling dynamics model and feasible flight mechanism in the whole envelope will give a theoretical foundation for its actual development.

临近空间浮空器具有大尺寸、大惯量和柔性体的特点，其飞行范围从地面到20km左右的平流层底部，环境参数呈非线性时变特征，浮空器兼有浮力/压力系统和飞行控制系统综合驱动，因此系统表现为很强的流-固-热耦合动力学特性。本项目首先基于试验数据进行大气环境分析，设计环境数据反演系统；然后采用理论分析、风洞试验和低空飞行试验相结合的方法建立临近空间浮空器流-固-热耦合动力学模型，通过浮/重平衡分析，进行压力/浮力系统设计，通过抗风能力分析进行推进系统配置；最后综合考虑压力、浮力、气动和推进等多执行机构耦合作用，建立巨型柔性浮空器系统耦合操纵动力学模型，进行系统操纵特性和驱动能力分析，期望给出临近空间浮空器全飞行包线内的飞行机理和可行的操纵方案。建立临近空间浮空器较精确的流-固-热耦合动力学模型，并进行大包线内飞行机理研究，将为临近空间浮空器的实际研制提供重要的理论依据。

临近空间是距离地面20-100km高度的空间区域，是高于商业飞机而低于轨道卫星的高度，这个区域用于军事侦察、科学研究和商业通讯和旅游等具有独到的优势。近期临近空间浮空器被人们提出来用于中继平台，得到广泛的研究，然而目前还处于实验验证阶段。.本项目基于试验数据进行大气环境分析，设计环境数据反演系统，预测浮空器的升降轨迹和落点；采用理论分析、风洞试验和低空飞行试验相结合的方法建立临近空间浮空器流-固-热耦合动力学模型；建立巨型柔性浮空器系统耦合操纵动力学模型，并着重研究了仿生鱼的推进原理；通过仿真分析和部分试验验证，给出临近空间浮空器全飞行包线内的飞行机理和可行的操纵方案。.项目主要完成内容为：.1).巨型柔性浮空器流-固-热耦合动力学模型分析；.2).巨型柔性浮空器耦合操纵系统模型和开环飞行机理分析；.3).巨型柔性浮空器控制系统设计和闭环飞行机理分析；.4).大尺度柔性体综合控制仿真验证平台搭建和飞行试验设计。.项目主要研究成果如下：.1).给出临近空间浮空器模型建模的若干关键问题解决办法；.2).给出临近空间浮空器控制若干关键问题的策略；.3).给出临近空间浮空器不同阶段的飞行机理；.4).研究理论在多类浮空器上进行了仿真和飞行验证。.以上研究成果发表论文22篇，其中SCI检索14篇，EI检索7篇；申请发明专利6项；编写教材一部《大气动力/静力飞行器飞行原理》；指导博士毕业生5名,硕士毕业生5名。研究结果部分应用于实际飞行验证，为临近空间飞行器的实际研制提供理论基础。