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临近空间大气认知建模及无人机飞行仿真

张成  
【摘要】: 临近空间(Near Space),是对海拔20千米到100千米空间范围的一个通用性称谓,目前还是一个学术概念,官方也没有给出确切的定义。美军也有人称之为“横断区”;我国学术界有人以“亚太空”、“超高空”、“高高空”等词来表述。长期以来,各国军方大都忽视了临近空间的军事价值,近年来却纷纷开始重视起来,并开发这方面的飞行器。 目前临近空间的飞行器主要有平流层飞艇、浮空气球和无人机。无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称,英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示,缩写为UAV。无人机它采用航空飞行器的设计方法,利用太阳能、氢燃料电池等新型能源,轻质结构,依靠空气动力达到临近空间,具有远程、长航时、高度集成化的特点。 因此,临近空间无人机的研究具有重要的军事战略意义,它的成本比卫星低得多,仅为卫星成本的几十分之一,甚至几百分之一;在执行任务时,无人机可按照指挥员的意图在选定的目标区域上空进行持续侦察监视,截获和收集目标区完整的情报,而不像卫星只能按照规定的轨道运行,不能按指挥员随机要求获得某目标区的完整情报;同时,无人机可以不必考虑人的安全问题,在危险区域执行侦察任务时,既不必冒生命危险,也不需派遣护航机保护。无人机能昼夜持续进行空中侦察探测,这些都是有人驾驶战略侦察机所不及的。 本文正是针对临近空间这一热点进行研究: 首先,对临近空间的大气环境进行认知和建模,针对临近空间大气的各个参数进行建模型。并且,着重对风场这一参数进行了建模,给出大尺度风场中的风速变化规律,以及风速的高度分层,然后利用多项式拟合法对数据组进行描述,得到风速随高度变化的分段表达式;对于特定点的速度,利用曲线插值来进行估算,本文给出了风场模型的仿真。 其次,在基于一些基本假设的前提下,对无人机建立了机体坐标系六自由度非线性刚体运动方程。同时,为了研究变化风场对无人机的影响,引入“四点模型”,对无人机的动力建模做了修正,引入了风场对无人机影响的参数。 最后,在前面建立的变化风场和无人机模型的基础上进行综合,对在变化风场中的无人机,进行了飞行响应仿真,讨论风场对飞行性能曲线的影响,最后讨论无人机在变化风场中爬升时的航迹优化,并进行了仿真。


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