[发明专利]一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法

摘要

一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法，涉及飞艇。在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等；上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；上升过程的执行方式分为两个阶段：1)排气和抛洒压舱物上升阶段；2)完全排气上升阶段。飞艇上升仅需依靠静浮力，不需要推进系统提供垂直方向的升力，可将飞艇平稳上升至平流层下部，并在上升过程中保证气囊内外压差维持在制定范围内的一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法。

主权项

一种基于连续抛洒压舱物的平流层飞艇上升方法，其特征在于包括以下步骤：1)在上升过程中，通过抛洒压舱物和排气，依靠静浮力实现上升，在整个上升过程的任意时刻均保持静浮力始终与飞艇重力近似相等，即$F_{\mathrm{buoyancy}}\left(t\right)\≈\mathrm{Mg}=[\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{air}}\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{gas}}\left(t\right)+m_{\mathrm{struct}}+m_{\mathrm{ballast}}]g---\left(1\right)$式(1)中，F_buoyancy(t)表示飞艇的静浮力；飞艇的总质量为M，表示空气囊总质量，k表示空气囊个数；表示主气囊(浮升气体气囊)总质量，n表示浮升气体气囊个数；m_struct表示飞艇有效结构质量；m_ballast表示压舱物质量；式(1)保证飞艇大部分时间里按指定速度匀速上升，由计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气密度等情况控制抛洒压舱物和排气的速率，在必要时利用式(1)两端的细微差别，控制飞艇的加速和减速；2)在上升过程中，上升速度V控制在0＜V≤10m/s，分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中以匀速阶段为主，在加速阶段，F_buoyancy(t)＞Mg；在减速阶段，F_buoyancy(t)＜Mg；飞艇内外压差始终保持在200～1000Pa；3)上升过程的执行方式分为两个阶段：(1)排气和抛洒压舱物上升阶段；在初始时刻，各阀门都处于关闭状态，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要抛洒压舱物加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节各压载舱阀门，精细调节抛洒压舱物的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，通过协调控制压差和速度，使得飞艇从初始高度为0和垂直方向速度为0的状态开始安全平稳加速到某一特定速度，然后继续以这一速度匀速上升，直至压舱物抛洒完毕，在这一过程中，始终确保气囊内外压差维持在安全范围内；当此过程结束时，飞艇总密度等于外部同一高度大气的密度，但由于热力学效应，飞艇空气囊内气体温度低于外部大气温度，密度高于外部大气密度；(2)完全排气上升阶段；在排气和抛洒压舱物上升阶段后，进入完全排气上升阶段，分开始、中间、结束三部分；在开始部分，飞艇各气囊内的气体，特别是空气囊内的气体，由于阳光照射和热传导，都有膨胀的趋势，压差变大，因而需要排出更多气体，通过压差传感器测量当前压差，并判断当前压差是否与压差参考轨迹接近，以此决定是否需要排放空气使压差产生变化，达到维持压差平衡的目的，若需要排气，则通过艇载计算机控制调节空气囊阀门的开闭和开度，精细调节排气的速率，确保压差维持在参考轨迹附近，同时排放空气会使飞艇总质量减少，受到的净浮力增大从而获得上升速度，通过速度传感器测量当前速度，并判断当前上升速度是否与速度参考轨迹接近，以此决定是否需要加速，若需要加速，则通过艇载计算机控制调节浮升气体阀门的开闭和开度，精细调节浮升气体的速率，确保速度维持在参考轨迹附近，因为此时压舱物已抛洒完毕，所以只能排放浮升气体能加速，由艇载计算机根据飞艇当前高度、垂直方向速度、当前高度大气压强等因素计算需排出气体的配比，计算排出气体配比的原则是，在每个时刻仍然要保证式(1)成立，从而既控制飞艇各气囊内外压差在安全范围内，又维持飞艇的上升速度，直至将飞艇的上升速度调整到新的设定速度；在中间部分，继续通过排放各气囊内的气体，维持飞艇以这一设定速度匀速上升，直至接近工作高度；在结束部分，继续通过控制排放气体的配比使得飞艇在垂直方向上减速到0，且正好使飞艇达到工作高度；在本阶段的全过程始终确保气囊内外压差维持在安全范围内，此后，上升过程结束，飞艇在竖直方向上切换到定高控制。