地球被一圈很厚的大气层包围,大气层可以分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,其中平流层空气稀薄、气流比较平稳、垂直温度梯度小,是一个可用于空中部署的比较理想的区域。当前,平流层平台有3个主要的研究趋势,即有人携带设备高空驻留、无人机和浮空器。浮空器顾名思义即为轻于空气的浮空器,其升力大部分来自气囊内轻于空气的气体的浮力。浮空器的典型代表为飞艇。飞艇最大的特点就是生存能力强,适用的范围广泛。
与传统的无人机相比,飞艇庞大外形带来的天然优势非常明显。在执行情报、监视与侦察等任务时,飞艇具有更高的效率。由于飞艇所受的静浮力比例远远大于无人机,而且体积庞大,可以携带大量的太阳能电池板,所以飛艇可以克服能源和机械的限制,长时间地停留在空中,能实现长时间持续执行任务。与此同时,飞艇所受的浮力比例也使得飞艇起飞不需要长跑道,比传统的无人机具有更强的灵活性。与传统的飞行器相比,无人飞艇可以由雷达吸收材料或者软式材料构成,在高空中很难被敌方发现,而且飞行高度也超出了大多数导弹的射程,较无人机相比拥有安全性,在小范围的近距离观察区域,飞艇具有更好的实用性。
国内外研究现状及发展趋势
飞艇在早期发展时,有很长一段时期处于概念研究和方案预估阶段。从20世纪90年代末期开始,国际和国内逐渐掀起了飞艇研究的热潮。美国、英国、俄罗斯、日本等实施了一系列计划,大大地推动了包括飞艇在内的浮空气飞行器的发展,也引起了国内飞艇研究的浪潮。
在传统飞艇研究领域,美国始终处于领先地位。相关的实验室一直对飞艇进行研究,而且还将研究领域延伸到矩形飞艇、高空飞艇观测平台上。在经历了9?11事件、阿富汗战争和第二次海湾战争后,出于国土安全以及反恐的需求,美国提出了航天器与陆海空装备无缝衔接的操作平台的概念。2002年,美国导弹防御局(MDA)提出在“先进概念技术演示”(ACTD)中建造“军用高空飞艇”,主要是用于停留在美国大陆周边监视威胁美国本土的导弹目标。“高空哨兵”飞艇应运而生,并于2005年11月飞行测试成功。与此同时,美国航空航天局(NASA)和Sanswire公司也针对外星观测和通信等需求研制出相应飞艇并投入使用。
英国飞艇研究也始终处在世界前列,“天舟”(Skyship)500和“天舟”600系列飞艇是现代飞艇的典型代表。同时,在民用方面,飞艇的应用处于时代的前列,如英国飞艇工业公司设计的特种发光软式飞艇A-60S用于广告宣传等方面。
俄罗斯在飞艇研制方面也居世界领先地位。从20世纪90年代至今,俄罗斯相继研制出“科学静力”01/02和半硬式多用途Au-30飞艇,其性能优于当时欧美国家同期的型号。目前,俄罗斯军方对飞艇研究兴趣浓厚,并获批专项资金用于军用飞艇研究。
日本科技厅和邮政厅推动了SPF计划,由国立航空研究所(现已合并到JAXA)承担平流层飞艇的研发,并于2005年进行了缩比飞艇(长约64m)的飞行试验。
我国飞艇研究起步比较晚,直到1976年才被审批通过。目前,国内许多家单位都在进行飞艇的研究工作,如航空工业特种飞行器研究所、北京航空航天大学、中国科学院等均取得了一定的研究进展。2012年10月13日2点10分,我国首个军民通用新型临近空间平台“圆梦号”在内蒙古锡林浩特成功放飞。“圆梦号”是全球首次具备持续动力、可控飞行、重复使用能力的临近空间飞艇,也是首次向企业和个人用户提供商业服务的飞艇。本次飞行搭载了客户的宽带通信、数据中继、高清观测、空间成像和空中态势感知等系统。
飞艇控制的关键技术
对飞艇系统进行控制,通常分3部分,即飞艇的姿态控制、航迹控制以及区域驻留控制方法。
飞艇姿态控制
姿态控制是飞行器稳定飞行最基本的控制要求,是保证稳定飞行的关键。姿态控制成为飞艇飞行控制的重点,这是由于平流层飞艇姿态运动具有非线性、通道耦合、不确定等特点,而且容易受外界扰动影响。飞艇姿态控制通常采用PID控制、滑模控制和反馈线性化控制方法。
传统的PID控制,具有最稳定的控制性能,对于任意系统适应性和可靠性较强,可以保证飞艇的飞行可靠性。在进行多目标优化后,系统提高参数摄动和工况变化的鲁棒性。离散滑模控制方法也被应用于飞艇姿态控制系统设计,控制系统为非线性的,考虑到非线性因素及各通道之间的耦合作用,俯仰姿态的跟踪误差相对较少,使得飞艇更加精确地对期望姿态进行跟踪。由于飞艇为非线性系统,从应用广泛性和实用性方面,反馈线性化方法是一种有效的非线性控制系统设计方法。该方法通过非线性反馈和坐标变换使非线性系统转变为线性系统,然后应用线性理论对该线性系统进行控制设计,从而简化了系统控制问题。通过反馈线性化方法和滑膜控制方法设计出飞艇姿态控制律结构,可以实现按指数规律使系统输出跟踪指令姿态角,其中,系统对模型不确定和外界扰动的鲁棒性是通过鲁棒控制方法来实现的。
飞艇航迹控制
航迹控制,即为对飞行器质心运动的控制。在飞行过程中,为完成各项飞行任务,飞行器需按指定航迹飞行。平流层飞艇的空间运动具有非线性、通道耦合、模型不确定、易受外界扰动等特点,该特性使航迹控制成为飞行器飞行控制的难点之一。根据是否以时间为参考变量,飞艇的航迹控制分为轨迹跟踪控制和路径跟踪控制。对于飞艇来说,飞艇的航迹控制方法主要为传统的PID控制、动态逆控制和智能模糊控制等方式。
PID控制作为常规方法来控制这些飞行状态所对应的控制器,同时对不同飞行状态之间的控制切换策略进行分析。采用PI控制方法和PID控制方法较为简单,易于工程实现。动态逆控制方法可以对飞艇航迹控制系统进行设计,并在系统参数时变和外界干扰条件下验证控制系统的鲁棒性。但上述研究工作存在局限性,这些方法均为针对线性模型设计控制系统,并未考虑纵向运动和横侧向运动之间的耦合作用,在运算时通常对横纵向运动方程进行解耦以便于运算。针对飞艇空间运动模型多变量、非线性、不確定等特点,智能滑模控制方法将滑模控制与智能控制相结合,利用智能控制的自学习、自适应、自组织等功能使滑模控制能够根据系统状态自动调节控制输出,从而实现了非线性控制,减少了由于解耦带来的控制误差。其中,滑模控制通过设计适当的切换流形和变结构控制律,使得系统的状态轨线在有限时间内到达所设计的切换流形并以适当的速度渐近滑向平衡点,从而保证系统具有预定的性能指标,具有较好的应用前景。
飞艇区域驻留控制
与传统飞行器相比,平流层飞艇的主要应用优势是在目标区域上空长期驻留,以完成对地观测、侦察监视、通信中继和灾害监测等各类任务。区域驻留是平流层飞艇特有的工作模式。区域驻留控制是指控制飞艇在某一空域相对地面目标区域保持位置不变,当飞艇在外界扰动下偏离驻留位置时,则需要在控制系统作用下回到原驻留位置并保持不变。其中,模型不确定和外界扰动增加了区域驻留控制的难度,因此,区域驻留控制成为平流层飞艇工程应用的关键技术。在过去的研究中,多种控制算法被应用到飞艇驻留控制当中。
传统的PID控制方法设计的高空飞艇的区域驻留控制系统能够满足区域驻留控制要求。但相比于传统的控制方法,遗传算法控制和反馈线性化控制也可以满足相应要求,并且较传统方法有相应的改进。例如,采用遗传算法寻优的最短时间开环控制系统,该控制系统侧重于时间最短的控制性能;采用反馈线性化方法设计闭环控制系统,引入航迹反馈信号,提高了系统对参数摄动的鲁棒性。此外,对于飞艇区域驻留控制系统,可以经过算法优化,驻留控制问题转化为非线性多目标优化问题,进而可以借鉴遗传算法等求出最优解来解决区域驻留的现实问题。
结论
纵观国内外研究现状,可以得到以下结论:(1)平流层飞艇诱人的应用前景促使其成为国内外发展的热点,推动了有关的动力学与控制研究;(2)现有动力学与控制研究重点主要集中在对软式飞艇进行研究;(3)飞艇动力学与控制方面已发表大量文献,但现有研究比较偏重于气动影响。实际上,平流层飞艇还涉及多种新的空气动力学问题,包括热、浮力与气动的强耦合、昼夜外形变化、发射与回收过程中的突风带影响、风切变干扰等,然而现有研究综合考虑气动、静力、热力和结构耦合影响的动力学与控制研究成果仍较少。
目前,国内外许多平流层飞艇工程发展计划进展缓慢,一个重要原因就是缺乏针对性的基础理论和方法研究。在把飞艇潜在应用的美好憧憬变成客观现实之前,有两个重要问题必须解决:第一,如何才能“上得去、回得来”?第二,如何确保在留空期间为有效载荷高性能工作提供满意的航迹、平稳的姿态和精准的指向?这给动力学与控制研究带来一系列难题。
(责任编辑:朱赫)