● 摘要
平流层飞艇作为临近空间飞行器的一员，以其长时定点驻留、低能耗、低成本等特点在通信、交通、对地观测等领域有着重要的应用优势，吸引了各国研究者的关注。本文以平流层飞艇作为研究对象，详细研究了模型建立过程、上升轨迹优化过程和定高平飞轨迹优化过程。通研究，为平流层飞艇的总体设计提供合理的飞行剖面。本文主要研究内容分别如下几个方面：
首先，以带副气囊在飞行过程中保持外形的飞艇作为总体方案，在地面惯性坐标系和气流坐标系下，对飞艇进行受力分析，详细建立了适用于轨迹优化的运动学模型、动力学模型、热力学模型以及大气环境模型，其中风场采用水平定常风基础上附加大气扰动风的三维复合模型。
其次，给出轨迹优化问题的具体描述，叙述轨迹优化方法的发展情况。针对平流层飞艇，引入改进的切比雪夫伪谱法，对其改进情况进行详细介绍，为后面的飞艇轨迹优化过程提供有力的工具支持。
再次，基于建立的飞艇数学模型，结合改进型的切比雪夫伪谱法，对飞艇的上升轨迹进行优化：在起飞时间点不同背景下，以最优航时为优化目标，研究不同起飞时间点对于飞艇上升轨迹的影响，得出最优起飞时间；研究热力学效应对飞艇上升过程中飞行轨迹的影响情况；忽略热力学效应，以有风和无风为背景，飞行时间最优为目标函数研究风对飞艇上升轨迹的影响。
最后，以平流层飞艇定高平飞为背景，简化数学模型，以最优航时为目标函数，在不同场景下得到优化结果，根据优化结果分析热力学效应以及水平恒值风场对飞艇平飞过程的影响。