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临近空间浮空器研究现状与发展展望

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2016-04-29 19:48   

来源:《国际航空》2016年第1期,作者:祝明、陈天、梁浩全、刘东旭  我要评论 0

    核心提示:目前,世界上在研发的低速临近空间飞行器主要包括临近空间浮空器、太阳能飞机和氢能源无人机等。其中,临近空间浮空器包含临近空间飞艇、高空气球以及可以环绕地球长时漂浮的平流层卫星等。

 

临近空间浮空器研究现状与发展展望

 

祝明、陈天、梁浩全、刘东旭

 

导读:我国在临近空间飞艇技术的发展取得了突破性进展,为今后开拓临近空间的军事和民用用途奠定了基础。

 

目前,世界上在研发的低速临近空间飞行器主要包括临近空间浮空器、太阳能飞机和氢能源无人机等。其中,临近空间浮空器包含临近空间飞艇、高空气球以及可以环绕地球长时漂浮的平流层卫星等。

 

临近空间浮空器研究现状


 

临近空间飞艇与平流层卫星是目前比较典型的可长时停留在临近空间的浮空飞行器,均依靠自身浮力保持飞行高度,两者主要区别是临近空间飞艇具有太阳能电池与储能电池构成的循环能源系统,可为飞艇飞行提供持续动力,具有长时间驻空和按航路飞行的能力。


谷歌气球项目计划于2016年在美国展开覆盖测试。

 

平流层卫星一般不具备动力系统,主要依靠高空大气环流,环绕地球某纬度区域飞行,平流层卫星必须发射数百颗组网,才能为既定用户提供稳定、持续的服务。

 

太阳能飞机与氢能源飞机作为低速固定翼飞行器,一般都具有大尺寸机翼,通过巡航飞行获取气动升力,保持飞行高度,同时控制飞行器航向、航速和姿态,两者的主要区别是,一个以太阳能电池发电系统驱动螺旋桨为动力,另一个通过氢发动机或氢氧燃料电池提供动力。

 

氢能源飞机需要消耗液氢燃料,航时往往设计为1~2周,还无法持久在临近空间飞行。太阳能飞机受制于太阳能电池与储能电池以及轻质高强结构材料技术的发展水平,载重能力有限,在可见的将来还难以实现携带200kg以上的重量的有效载荷在临近空间长航时飞行。

 

国外研究概况

 

由于临近空间浮空器能在高空实现长时间驻留并具备搭载数百千克载荷的能力,在军用和民用领域应用前景光明,因此,美国、俄罗斯、日本、韩国等国家近15年来均开展了临近空间浮空器的相关研究,其中美国已经开展了多种样机系统研制和试飞试验。

 

美国在研的临近空间浮空器项目主要包括洛克希德·马丁公司的“高空飞艇”(HAA) 项目和传感器结构一体化飞艇(ISIS)项目、西南研究院的“高空哨兵”项目以及谷歌公司的“谷歌气球”项目。HAA飞艇与ISIS飞艇的用途主要是为美军提供持续定点通信、情报、监视和侦察的能力,可以布设多艘飞艇组网实现广域覆盖。2011年7月,HAA验证艇进行了首次飞行试验,但在升空过程中出现故障,在9754m高度实施了紧急降落,整个试验过程约3h。尽管此次试验没有完成既定目标,但洛马公司对外宣称已经验证了高空飞艇的主要核心技术。在2008年和2010年,“高空哨兵”飞艇先后开展了两次飞行试验,在升空至20km高度后,部分系统发生故障,留空时间仅有数小时,均未达到预定留空目标。2012年以后,谷歌气球项目进展迅速,从谷歌公司首次公开此项目到现在,谷歌气球的留空时间由数十小时发展到环绕地球飞行半年以上,谷歌公司计划于2016年开始,在全美50个州展开信号覆盖测试。


临近空间飞艇一般包括浮力囊体分系统、能源分系统(太阳能电池阵列、储能与供电子系统)、推进分系统、航电分系统、飞控分系统和吊舱分系统等。

 

为了有效推动临近空间飞艇的发展,美国航空航天局(NASA)在2014年8月宣布启动临近空间飞艇设计竞赛,说明临近空间飞艇仍是美国在临近空间低速飞行器领域的重要发展方向。

 

我国研制现状

 

我国近年开展的临近空间浮空器研究主要集中在临近空间飞艇领域,相关研究始于“十五” 期间,近年来多所高校、科研院所开展了方案论证、关键技术攻关等研究工作,近期部分民营企业也投入到临近空间飞艇的研制过程中。其中,北京航空航天大学在“十一五”和“十二五”期间完成了多次高空飞行技术验证,在超压囊体、循环能源、动力推进、飞行控制和发放回收等飞艇关键技术研究上取得了重要突破。2015年10月,北京航空航天大学、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了临近空间飞艇“圆梦号”的较长时间留空飞行试验,实现了可控飞行与完好回收,同时开展了临近空间宽带数据传输、语音图像传输、对地观测与空中态势感知等初步应用试验,标志着我国在临近空间飞艇研制领域迈入世界先进行列。

 

临近空间飞艇系统构成与关键技术


 

临近空间飞艇系统构成

 

临近空间飞艇系统构成包括飞艇平台系统、任务载荷、试验场保障系统和空域监测系统等。飞艇平台系统包含了平台本体、视距测控地面站、卫星通信测控系统。平台本体一般包括浮力囊体分系统、能源分系统(太阳能电池阵列、储能与供电子系统)、推进分系统、航电分系统、飞控分系统和吊舱分系统。

 

总体优化设计技术

 

临近空间飞艇总体设计本质上需要解决三个平衡问题:浮力重力平衡、推力阻力平衡和昼夜能源平衡,此外还需考虑持久留空带来的环境适应性、可靠性和安全性设计。考虑飞艇造价和工程实现性,临近空间飞艇的整体尺寸和起飞重量应当被限制在一定范围之内。因此,综合气动、结构、推进、控制、能源等学科,在满足既定总体技术指标的条件下,以尺寸或起飞重量最小为目标的多学科优化设计(MDO),是临近空间飞艇总体方案设计的重要技术途径。在设计过程中,建立能妥善处理多学科耦合信息的模型,以及选用适合的MDO方法是重要的研究内容。目前北京航空航天大学在综合气动、推进、结构和能源学科分析与设计,以起飞重量最小化为目标的飞艇MDO研究,已经取得了一定成果,可为飞艇总体设计提供重要工具。

 

轻强囊体材料技术

 

临近空间环境大气密度低、对流换热小、太阳辐射强、臭氧浓度高,临近空间飞艇囊体工作环境十分苛刻,因此囊体材料是临近空间飞艇的关键技术之一。囊体材料须具备极高的比强度,只有面密度足够小,同样容积的囊体才可产生更大的有效浮力,而控制艇囊体积是保证临近空间飞艇工程可行性和经济可行性的基本要求。囊体材料强度还需要足够大,以抵抗飞艇运行过程中昼夜温差引起的囊体内外压差载荷,保证飞艇在运行过程中的安全性。现代飞艇已普遍采用氦气,所以囊体材料须具备良好的密封性能,必须在有限面密度的囊体材料中集成具有良好环境适应性的氦气密封层,保证飞艇在长时间飞行过程中不漏气,浮力不下降。囊体材料须包含性能优良的抗老化层,抵抗临近空间的紫外线和臭氧带来的综合老化作用,同时需要采用隔光层,防止太阳辐射对内层材料的损伤。囊体材料中所有的功能层需要在-80℃以下的低温环境下工作,并可抵抗接近100℃的昼夜温度变化,这极大限制了高分子材料的可选范围。由于囊体表面积巨大,加工难度很高,对囊体材料的可加工性、耐损伤特性、可维修性等提出了很高要求。因此,只有充分认识临近空间飞艇囊体材料的需求,通过精细设计、深入优化,开发应用最前沿的材料技术,将材料的性能发挥到极致,方可突破囊体材料关键技术。

 

高效能源获取与转换技术

 

高效率太阳能电池、高比能量的储能电池、能源转换与管理系统是临近空间飞艇循环能源系统的重要组成部分。目前,临近空间飞艇上采用的太阳能电池主要有三种技术方案:柔性薄膜太阳能电池、半柔性太阳能电池和刚性太阳能电池。其中柔性太阳能电池又分为非晶硅(a-Si)、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓(GaAs)等材料体系。目前,国内能量转换效率超过10%的非晶硅电池和铜铟镓硒电池还未能实现批量生产;柔性砷化镓电池国内外已有样件,但价格昂贵,无法批量应用于临近空间飞艇。近两年来,半柔性太阳能电池开始出现并可小批量生产,在保持硅电池高转化效率(不小于18%)特点的同时,通过封装设计可以实现电池组件360°弯曲,在“圆梦号”上得到了成功应用。


驻留高度仅为3km的JLENS飞艇项目已经能够为美国要地提供巡航导弹预警和引导拦截能力,类似的能力应用在临近空间飞艇上的话,预警范围将大幅扩大。

 

临近空间飞艇的储能系统目前具有可再生燃料电池、锂硫电池和锂电池等典型技术方案,其中可再生燃料电池虽然比能量较高,由于系统构成复杂,工作环境要求较高,以及由于能量转化效率较低导致需要更大规模的太阳能电池阵列,在国内外已开展的试飞试验中均未能得到应用。在另外两种方案中,锂硫电池单体在比能量上具有显著优势,但在电堆循环寿命与安全性上仍未能达到实用要求。因此,目前临近空间飞艇的设计仍以单体比能量超过200Wh/kg的锂电池作为储能系统方案。展望未来,可更高效获取太阳能源的柔性和半柔性太阳能电池、更高比能量并兼具长寿命和安全性的储能电池以及综合能源管理技术是临近空间飞艇能源技术的重要发展方向。

 

高效推进技术

 

电动螺旋桨推进装置是目前临近空间飞艇设计使用的主要推进方案,也有学者在探讨等离子体推进和喷气动力在临近空间飞艇上应用的可行性。为了实现高效率和高功率重量比,临近空间飞艇的螺旋桨多采用大直径复合材料双叶桨结构。由于国内外还缺乏有效的地面模拟实验条件,因此其气动设计多以计算流体力学(CFD)软件为主要工具,辅以缩比样件的风洞实验。经过多年攻关,在来流风速15m/s的条件下,已经可以设计出效率接近70%的螺旋桨。高比功率的推进电机是飞艇推进系统的主要部件,目前多采用永磁直流无刷电机,部分使用盘式直驱电机,电机效率有的已超过90%。更高效率的新型推进技术以及更高可靠性和比功率的推进电机将是飞艇推进技术的重要发展目标。

 

持久飞行控制技术

 

飞行控制技术是临近空间飞艇的核心技术之一,主要研究问题是飞行模式设计、控制律研究以及长航时飞行所需的容错飞行控制。目前,区域驻留所采用的控制器设计方法包括线性和非线性方法。其中,线性方法一般利用小扰动线性化理论或反馈线性化理论,将非线性模型做线性化处理,实现横纵通道解耦,得到适合控制器设计的线性模型;并在此基础上应用经典的控制方法进行控制器设计。小扰动线化理论只适用于浮空器状态特征点附近邻域内的状态控制;反馈线性化对模型的准确性具有较高要求,目前多通过神经网络、干扰观测器等对不确定项进行逼近。非线性方法多采用强鲁棒性的控制方法对浮空器进行控制器设计,如滑模控制、模糊控制、自适应动态逆等。航线巡航为航迹控制问题,一般转化为跟踪问题(路径跟踪或轨迹跟踪)。航迹控制问题不仅需要解决在临近空间内的运动变化,还需保证运动过程中的姿态稳定。合理的既定航线是提高临近空间浮空器驻空能力的重要前提,因此航迹控制还需考虑航迹优化问题。飞艇的容错飞行控制可以转化为研究控制量分配问题和控制器重构问题。控制分配问题主要解决临近空间飞艇不同执行机构之间的控制量协调问题。为了延长驻空时间,临近空间飞艇一般均配备多余度执行机构,在某个执行机构出现故障时,可以将其隔离,进行控制器重构。执行机构发生故障后的重构一般也是通过控制分配实现。现有的控制分配方法一般将该问题转化为最优控制问题,并通过相关数学手段求取最优解。

 

发射回收技术

 

临近空间飞艇作为一种尺寸巨大的飞行器,其发射与回收过程都极具挑战。在浮空器发展历史上,大型浮空器如载人飞艇、高空气球在发射与回收阶段均发生过重大安全事故。对于临近空间飞艇,其转运和发射系统往往需要基于飞艇状态进行设计定制,此外还需要通过气象预报手段,选择合适的发射窗口。临近空间飞艇的发射过程是一个半自动化的遥控过程,与之相比较,临近空间飞艇的返场回收技术更具有挑战性。目前临近空间飞艇回收有两种回收方案:飞艇成形或保形回收、飞艇非成形或放气回收。对于保形回收,要求飞艇的动力系统除在高空工作外,在低空仍具有较大的推力输出,以在低空降落过程中对飞艇姿态和位置的控制。对于非成形回收,通常使用区域预测降落技术,预先设置降落点或在飞行过程中预测降落地点。经试飞验证,区域预测降落技术的着陆精度可以控制在数百米到2千米的范围之内。临近空间飞艇回收技术研究的最终目标是实现飞艇的完好回收和可重复使用。

 

临近空间飞艇应用和发展展望


 

军用价值

 

临近空间飞艇作为一种超长航时飞行器,既可以弥补卫星在分辨率、灵敏度、动态监视能力方面的不足,又能弥补空中平台在监视范围、生存能力、持续性等方面的不足,还能克服地基系统视野和探测范围有限等方面的缺点。其工作模式类似于“近地卫星”平台,在军用领域具有巨大的应用价值,具体应用包括通信中继、广播通信、导弹预警、空域监视与控制、海上监视与控制、空中与地面侦察、监视与目标获取、火力协调、定位/导航、战场环境监测、电子对抗、空中防御/巡航导弹防御/战术导弹防御武器平台、空地武器平台等。

 

民用价值

 

随着现代信息技术与网络互联技术的快速发展,围绕临近空间飞艇拓展创新的应用领域,将是临近空间飞行器未来在民用领域的重要发展方向。临近空间飞艇可以携带遥感、成像、通信等任务载荷,长时间停留在城市上空,对城市建筑、交通、排放等进行实时监测,建立城市和相关行业大数据资源库,服务于城市精细化管理、环境与污染管理、气象监测与精细预报、应急通信等领域。多个临近空间飞艇携带通信基站,部署在沿海地区上空,可为海洋用户提供由离岸200km以上距离内的低成本4G通信服务。临近空间飞艇可作为空中通信枢纽和探测平台,可探测区域内客机、邮轮以及海事船舶当前位置,可充当塔台、搜救单位和被探测体间的通信中继,以执行主动监测、监控应答、即时发现、即时搜救任务。此外,临近空间飞艇可以携带红外成像系统,对草原和森林提供实时火警报警、病虫害预警等,并监测远方和下方云层流动,实现精准天气预报。


美国WorldView公司推出的创新的临近空间观光项目。

 

未来发展展望


 

随着临近空间浮空器相关技术的进步,以及飞艇和平流层卫星等平台的试飞验证,临近空间飞艇将在未来数年内实现留空1个月直至1年的可控飞行,并将以其为平台构建具有区域和广域覆盖能力的临近空间信息系统,将与平流层卫星、太阳能无人机为平台的任务系统形成相互协同,形成20~30km高度持久信息支援与服务能力,使得未来的信息传输和个人通信更加廉价和方便。

 

临近空间飞艇一方面作为一种重要的空中平台,在国防、安全、通信以及“一带一路”重大信息保障工程方面将发挥重要作用,另一方面其处于航空航天高端制造产业链顶端,具有很强的产业聚集作用,可带动新材料、新装备、能源、信息、电子等产业的发展,对于我国的产业升级具有重要的促进作用。目前,该类型飞行器国内外均在同步发展,国内技术成熟度与国外无明显差距,部分核心技术具备自主开发能力,有利于形成自主知识产权,具有领先世界先进水平的基础,对我国飞行器发展具有标志性意义。


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关键词阅读: 浮空器 现状 空间
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