风场环境下平流层飞艇运动建模.pdf

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1、系统科学与数学J．Sys．Sci．&Math．Scis33(6)(2013，6)，685—694风场环境下平流层飞艇运动建模苗景冈0王帆周江华(中国科学院光电研究院，北京100094)姜鲁华(中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要平流层飞艇驻空飞行阶段的航速和空速量级可比拟，考虑风的影响时，基于地速的动力学模型必须显式补充风引起的附加惯性力，其运动方程将变得很复杂．作者首先依据风场环境下地速、风速和空速之间的关系，推导了基于空速的动力学模型．该模型具有形式简单、与飞艇动力学联系更加密切且无需计算风引起的附加力的优点．其次，建立了基于上述模型的飞艇六自由度动力学仿真模型

2、，并针对标称运动条件下的系统开环输入进行仿真并简要分析了仿真结果．关键词平流层飞艇，动力学模型，六自由度仿真，空速MR(2000)主题分类号70E15MoTIoNM0DELINGoFSTRAT0SPHERICAIRSHIPINWINDFIELDMIAOJinggangWANGFanZHOUJianghua(AcademyofOpto—Electronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100094)JIANGLuhua(InstituteofHighEnergyPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing1

3、00049)AbstractSincethestratosphericairship’Sgroundspeedhasacomparablemagni—rudeorderwiththeairspeedinthemissionflightstage，consideringtheinfluenceofwind，thedynamicmodelbasedongroundspeedmustexplicitlysupplementwind—inducedinertialforces，whichbecomeverycomplicated．Basedontherelationshipof装备预先

4、研究项目(61501010206B)资助课题．收稿日期：2013—05—27，收到修改稿日期：2013—07—03686系统科学与数学groundspeed，windspeedandairspeedinwindfield，anewdynamicmodelbasedonairspeediSderivedfirstly．Thenewmodelhasasimplerformandacloserrelation．shipwithtrulydynamics．andwithoutcalculatingwind—inducedforces．Inordertoprovetheeffective

5、nessofthenewmodel，a6．DOFdynamicssimulationsystemofthestratosphericairshipiSderived．thentheopen—loopresponseofthe6一DOFdynamicsinthenominalmotionconditionaresimulatedandsimplydiscussed．KeywordsStratosphericairship，dynamicmodel，6-DOFsimulation，airspeed1引言对于平流层飞艇的动力学建模，一个重要的问题是对风场环境的处理．在平流层的特殊环境

6、下，高空飞艇一般具有两种工作模式，长期的工作模式应为定点模式，其地速接近零，空速和风速相当；有时根据要求巡航，其地速与风速相当．因此风速会一直维持与地速或空速相同量级，使得飞艇地速与空速差异明显．因此建立飞艇在风场中的动力学微分方程，需要解决的一个关键问题是如何处理风引起非定常气动力．多数文献常常简单地忽略风场的影响，直接从经典牛顿力学出发进行推导的传统建模方法，建立形式简洁的在体坐标系下基于地速的微分方程[1-a】．部分学者注意到飞艇在有风情况下的特殊动力学条件，推导了有风情况下基于地速的动力学方程【，引．但是，由于非定常气动力主要取决于飞艇相对大气的加速运动，而非相对地面的

7、加速运动，所以方程中，必须显式补充风引起的附加力和力矩，使得方程显得复杂而繁琐，不易计算．因此，依据地速、空速和风速三者之间的关系，本文将直接在体坐标系上建立基于空速的动力学微分方程．在平流层环境下，大气主要以水平方向流动，气流平稳，基本无上下对流．从已有的文献来看[6]-根据所研究的问题，可以认为在经纬度变化不大的地区，水平风在较短时间尺度内仅随高度变化，是定常风，将小尺度的紊流看作外界扰动．因此讨论大气扰动场的风速风向特性时，可将总的风速分解为(水平)平均风速和紊流分量．在建立基于空速的