阅读说明：本技术 一种平流层飞艇上升过程艇内外压差与速度协同控制方法 (Cooperative control method for internal and external pressure difference and speed of stratospheric airship in ascending process ) 是由 刘婷婷 梁小玲 缪敏昌 罗奔 徐松顶 田瑞 王斌斌 李庄 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于飞行器控制技术领域,具体涉及一种平流层飞艇上升过程中压力与速度协同控制方法。在飞艇过急流区后,基于飞艇的海拔高度、上升速度、囊体内外压差选定氦气阀开启和关闭的时机,综合控制飞艇在不同高度飞艇的上升速度和囊体内外压差,实现飞艇的上升过程中的内外压差和速度协同控制。(The invention belongs to the technical field of aircraft control, and particularly relates to a cooperative control method for pressure and speed in the rising process of an stratospheric airship. After the airship passes through the critical flow area, the opening and closing time of the helium valve is selected based on the altitude, the rising speed and the pressure difference between the inside and the outside of the bag body of the airship, the rising speed of the airship at different heights and the pressure difference between the inside and the outside of the bag body are comprehensively controlled, and the cooperative control of the pressure difference between the inside and the outside and the speed in the rising process of the airship is realized.)

一种平流层飞艇上升过程艇内外压差与速度协同控制方法

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及一种平流层飞艇上升过程中压力与速度协同控制方法。

背景技术

平流层飞艇升空过程一般是通过充氦气，采用净浮力升空。在上升的过程中通过对空气阀的开关，控制副气囊中空气的排放，将飞艇的内外压差控制在一定的范围内；当平流层飞艇过急流区后，如果不放氦，飞艇的上升速度逐渐增大。

在上升的后期排放过剩的氦气，一方面排放过剩的氦气使飞艇内外压差保持在安全范围内，不至于因为过剩的氦气使飞艇囊内压强超过囊体承受范围；另一方面，放氦可减小飞艇上升速度。但在氦气阀放氦的时机和时长控制方面会存在以下两种问题：

1)放氦量过多，飞艇无法到达预定的飞行高度，从而影响飞艇的驻空时间，甚至会因为飞艇高度太低导致整个飞行任务的失败；

2)放氦的时间过晚，不能达到飞艇放氦减速的目的。

发明内容

本发明的目的：为平流层飞艇成形上升提供一种基于高度、上升速度、囊体内外压强差的氦气阀放氦的控制方法，确保飞艇以小过急流区后上升速度能到有效减小、且放氦不超量，飞艇能够以较小的速度到达预定的高度。

本发明的技术方案：提供一种平流层飞艇上升过程中压力与速度协同控制方法，在飞艇过急流区后，基于飞艇的海拔高度、上升速度、囊体内外压差选定氦气阀开启和关闭的时机，综合控制飞艇在不同高度飞艇的上升速度和囊体内外压差，实现飞艇的上升过程中的内外压差和速度协同控制。

所述协同控制方法为：在平流层飞艇穿过急流区后，即当飞艇的海拔高度H大于高度H1、且当气囊内外压差Pe大于某一压差阈值P1、且飞艇的上升速度Vz大于某一速度阈值V1时，打开主气囊的氦气阀进行氦气排放，以降低飞艇的上升速度Vz；当Vz＝V1时，关闭氦气阀。

进一步地，当气囊内外压差Pe大于某一阈值P2时，打开副气囊的空气阀向飞艇外部环境排放空气；其中，P2大于P1。

进一步地，设定某一高度阈值H2，H2接近飞艇的理论驻空高度；

当飞艇的海拔高度H大于H2时，控制副气囊的空气阀处于打开状态，确保副气囊中的空气排净；其中H2大于H1。

进一步地，设定某一内外压差阈值P3，其中P3小于主气囊内外压差的安全值；

当气囊内外压差Pe大于P3时，控制主气囊的氦气阀处于打开状态，确保主气囊内外压差在囊体内外压差的安全值范围内。

进一步地，所述平流层飞艇上设置有多个传感器；取多个传感器测量得到的气囊内外压差的平均值作为气囊内外压差Pe。

进一步地，所述某一阈值V1为单一数值或一组由大到小的数组，用于控制多次排放氦气，逐步降速。

进一步地，所述高度H1为单一数值或一组由大到小的数组，用于控制在不同高度范围内的飞艇上升速度。

进一步地，所述某一阈值P2为单一数值或一组数组，用于不同压强下的控制策略。

具体实施方式

实施例

本实施例，在平流层飞艇穿过急流区后就开始进行压差—速度控制，其中，平流层的高度为H1＝16km。设定副气囊的空气阀打开排放空气的临界压差值为P2＝300Pa；主气囊的氦气阀打开排放氦气的临界压差值为P1＝250Pa、P3＝450Pa；飞艇的上升速度控制值为V1＝3m/s。飞艇的理论驻空高度为20km，设定H2＝19.2km。本实施例的平流层飞艇的升空方式为成形升空。

本实施例，在平流层飞艇穿过急流区后，通过传感器可以测得平流层飞艇的上升的海拔高度、上升速度、艇体内外压差，分别为Pe＝300Pa，H＝16.1km，Vz＝4.3m/s。

可知，H＞H1，Vz＞V1，Pe＞P1，此时，主气囊的氦气阀打开排放氦气，以降低飞艇的上升速度，直至飞艇的上升速度降低至V1＝3m/s后，关闭主气囊的氦气阀。

在飞艇上升过程中，当艇体内外压差Pe＞P2时，控制副气囊的空气阀处于打开状态，以排放空气。

在飞艇上升过程中，控制副气囊的空气阀打开进行持续排气，当飞艇高度H快要接近驻空高度或副气囊空气快排净的理论高度时，即H>H2时，控制副气囊的空气阀处于打开状态，确保副气囊中空气能够排净。

在飞艇上升过程中，H>H2时，且当艇体内外压差Pe＞P3时，此时氦气还是过剩的，为了避免当氦气膨胀到最大体积后，氦气来不及排放，囊体内外压差超过囊体安全压差范围，对囊体造成安全隐患，确保主气囊的氦气阀处于打开状态。

此外，本实施例，V1可以为单一值，也可是数组。当V1为数组时，可以由大到小，进行多次放氦，逐步多次将飞艇的上升速度降下来。V1数组，数据间隔不宜过大。逐步多次可有效应对浮空器大惯量长延时的问题的，有效的控制住放氦量，避免一次放氦过多的情况。

H1可以为单一值，也可是数组，当H1为数组时，可控制在不同高度范围内的飞艇上升速度。P2也可以为单一数值或一组数组，用于不同压强下的控制策略。