平流层飞艇控制与推进技术

乔振宇

摘要： 在平流层平台中，飞艇发挥着重要的作用，能够实现勘察军事、观测空间、测量大气以及无线通信等功能。但是，由于平流层的环境特殊多变，因此要加强平流层飞艇的控制与推进技术研究，保证飞艇在浮空、回收以及升空等阶段的控制。本文针对平流层飞艇的控制组成与控制难点进行展开讨论，希望能够保证飞艇在平流层中的有效应用。

关键词： 平流层;飞艇;控制;推进技术

就现实中工程系统来说，主要由物质、信息、能量等三部分构成，通过这三部分能够基本掌握工程系统的相关情况。在飞行器系统中，这三个元素即是指材料与结构设计、控制与管理工作以及动力与推进等。近空间，作为这几年我国着重研究的空间资源，为了进一步挖掘近空间的价值与功能，相关部门致力于探索空间飞行器的有效研制，即平流层飞艇，希望早日实现利用平流层飞艇对空间资源进行开发的目标。

平流层飞艇的基本功能

飞艇主要以浮力原理升空为基础，并具备控制飞行与推进装置的飞行器。在实际的运行中，平流层飞艇的用途包括：

获取有效信息

平流层平台，能够监视或者侦听热点区，并以高分辨率对不同目标区域进行监视。例如，运用平流层飞艇对交通枢纽加以监视，在海防、交通管理方面发挥着重要作用。

分发与通信

平流层飞艇能够有效交换数据信息，并建立起个人通信基站，为客户提供高效的宽带数字通信业务。相较于通信卫星，平流层飞艇对于设备发射功率要求不高，通信更加的便利。

定位导航

平流层平台导航定位体系，主要由地面微波转发站、平流层飞艇、用户接收机以及地面控制站等组成，能给交通运输系统中的飞机、车、船等机动载体提供精确的导航信息，以便于实现自主导航。平流层飞艇的定位导航功能可以充分满足交通监控、环境监测以及防灾减灾等社会需求当中。

完善平流层飞艇动力推进系统

平流层飞艇动力推进系统，主要作用在于：为保证飞艇的浮空飞行提供充足动力，主要由动力装置、推进装置以及能源装置等组成。

平流层飞艇能源装置

在低空飞艇运行中，主要以优质轻柴油、航空汽油、航空煤油等作为基本燃料，并借助于燃料将热能转化为机械能，从而保证飞艇的飞行动力。但是平流层与低空存在较大差异，平流程的大气密度低，若采取普通燃油式发动机将难以顺利开展工作，如果平流层飞艇自带燃油，由于发动机自身质量较大，将降低飞艇的携带量。同时，由于平流层的太阳辐射强度较大，因此平流层飞艇可以借助于太阳能电池将太阳能转化为电能，保證飞艇能源。

平流层飞艇动力装置

在平流层飞艇中，主要借助于太阳能电池为直流电，飞艇以直流电作为主要动力，因此平流层飞艇中主要借助于电动机驱动来完善装置产生推力。实际上，电动机主要分为交流电动机与直接电动机两种，都能够应用于飞艇之中，应该综合考虑平流层的实际情况按需求选择。其中，虽然说交流电动机的调速与启动性能较差，但是如果需要的电动驱动单轴较多，则电磁铁交流感应电机则更具有使用优势：当一台电机发生故障或者需要停止工作时，只需要直接停机即可，其他电机仍然能够保持正常运行，不会对其他电动机造成损害。而直流电动机，更适用于总线，本身的力矩—转速特性相对易于控制，并且平滑无极调速特征较强。在永磁无刷直流电动机中，便是充分运用直流电机的调速性能。两种电动机的选择应该根据平流层实际情况决定，其中永磁无刷电动机的应用较为广泛。

平流层飞艇推进装置

当前，平流层飞艇主要以高空螺旋桨作为推进装置中的推进器，原因在于螺旋桨质量相对较轻，能够驱动低速飞行器。相较于普通螺旋桨设计来说，高空螺旋桨主要适用于平流层稀薄的环境。在平流层飞艇运行中，高空螺旋桨主要安装与飞艇的艇首或者艇尾位置，并按照平流层任务、环境等合理分配螺旋桨的数量与运行效率等。

探究平流层飞艇的飞行控制策略

平流层飞艇的控制过程

首先，平流层飞艇控制模式。其一，再定点机动模式，主要借助于升降舵来保持与控制高度，并借助于推力对巡航机动或者盘旋加以控制，然后通过压差实现控制;其二，定点保持模式，可以运用腹部矢量推力器进行保持高度，并借助于矢量推力对风干扰进行抵御，保证定点的悬停;其三，巡航跟踪模式。这一模式同样需要借助于升降舵控制高度，并运用升降舵与方向舵来控制姿态，借助于推理对巡航加以跟踪。

其次，平流层飞艇平台的控制。其一，飞艇荷载平台的控制，主要将平台与艇体进行连接，借助于艇体为平台提供电能。在这过程中需要运用陀螺仪测量，并借助于反作用飞轮驱动，实现一体化线路;其二，位置调整段。借助于升降舵来控制高度，并运用推力对巡航飞行、巡航速度加以控制;其三，控制高度逼近段。运用气囊压力对飞艇的尾翼加以控制，调整姿态。调整速度，保证上升与下降的速度。在高度上升的过程中应该保证压差。

平流层飞艇控制难点

其一，要准确分析可变大气环境与风场影响下的变参数飞艇的动力变化情况;其二，要科学设计平流层飞艇的飞行压力、飞行温度等;其三，要准确分析气动结构对飞行控制性能产生的影响;其四，应该合理处理平流层飞艇导航、环境测量相关信息。

结束语：

综上所述，在近空间资源的开发利用中，平流层飞艇发挥着至关重要的作用。自从我国第一艘飞艇问世以来，人们已经积极探索飞艇技术，并作出极大贡献。现阶段，我国计算机技术、能源技术以及新技术材料等不断涌现，使得平流层飞艇的应用发展奠定了坚实基础。故此，为了进一步促进平流层飞艇的有效控制与推进，相关研发部门应该把握发展机遇，创新飞艇的控制技术，促进平流层的发展。

参考文献

龙飞.平流层飞艇发展现状研究[J].决策探索（中），2019（05）：96.

张永栋，翟嘉琪，孟小君，王紫薇，张宇，王建勋.基于行为逻辑的平流层飞艇试验自动测试方法[J].航空学报，2018，39（09）：203–209.

杨跃能，郑伟.平流层飞艇控制关键技术研究综述[A].中国自动化学会控制理论专业委员会.第37届中国控制会议论文集（F）[C].中国自动化学会控制理论专业委员会：中国自动化学会控制理论专业委员会，2018：5.

陈兵武.平流层飞艇飞行控制若干问题研究[D].厦门大学，2018.