● 摘要
平流层气球帆系统是一种新兴的平流层气球平台。它集成了传统平流层气球的长航时驻空飞行特点和轨迹控制系统灵活的轨迹控制能力，克服了平流层气球在风场中“被动”飞行的模式，利用不同海拔的风速差产生控制力，有着良好的轨迹机动性能。基于组网技术的平流层气球帆系统的全球“星座”，能在平流层中形成覆盖全球的观测平台，在科学观测、通讯、近空间军事防御等领域有着广阔的应用前景。本文以包含第一代轨迹控制系统的平流层气球帆系统为研究对象，对气球帆系统的动力学、控制力传播和轨迹控制等问题进行了详细而深入的研究。本文的研究内容包括：基于系统飞行的物理过程，对气球帆系统的动力学仿真问题提出了一种更加符合工程实际的全新技术路线，重点研究了气球帆系统升空段和自由飞行阶段的动力学问题。针对气球帆系统的升空阶段，本文采用系留气球升空动力学模型进行了研究，并提出了一种新的多质点动力学模型。通过实例仿真验算，良好地动态模拟了系留气球的升空过程。在气球帆系统的自由飞行段，采用“质量集中——弹性绳”模型，别对气球、吊绳和控制翼进行了动力学分析与建模，并结合气球帆系统的参数和实际风场，进行了动力学仿真计算。应用应力波理论，本文对气球帆系统的控制力在吊绳中的传播过程进行了深入的研究。基于吊绳的粘性阻尼，建立了气球帆系统吊绳中应力波的传播方程，并结合气球、控制翼的动力学方程，采用数值计算中的有限差分法，对气球帆系统飞行过程中的控制力传播过程进行了仿真。 基于控制力在吊绳中的传播过程，结合系统的飞行运动，本文建立了气球帆系统的控制模型，求出了系统的传递函数，并分析了典型控制力输入信号下气球飞行状态的响应。讨论了控制翼的飞行迎角对系统飞行轨迹的影响，并结合系统的覆盖率，建立了气球帆系统的编队飞行策略。