基于浮力控制的长时留空试验平台技术

摘 要

随着空间环境试验需求不断增长，高空试验平台技术受到日益关注，但现有工作平台已无法满足需求。为此，本文从浮空器的浮升原理出发，提出了一种基于浮力控制的长时留空试验平台技术，并对系统组成和飞行控制策略进行了介绍。通过浮力控制，该系统具有在海拔0至25公里各任意高度层保持10小时以上长时留空能力，并经飞行试验对系统性能进行了验证。

【关键词】试验平台 浮力控制 长时留空 飞行试验

1 引言

随着航空航天技术的发展，高空环境的大气特性、以及空间高能粒子等研究重要性日益突出，同时基于高空平台的任务研究需求也在不断增长。从平台类型划分，主要分为航空机载平台和浮空器平台，航空机载平台由于其高速运动的特性，不太适合定点监测或试验的任务要求，而临近空间浮空平台目前处于设计论证阶段，尚未达到应用程度。目前可以参考借鉴的是探空气球平台，其主要通过净浮力快速升空至35公里而后自爆下落，沿程采集大气数据并传回地面监控站的方法，也同样存在不能定点长时驻空的问题。

为满足高空环境下的任务平台试验需求，本文从浮空器的浮升原理出发，提出一套基于浮力控制的高空试验平台技术，通过总体设计，平台具备了长时定点留空以及遥测遥控功能，并经飞行试验，检验了平台的长时留空性能。

2 系统设计

2.1 工作原理

长时留空试验平台系统依靠净浮力升空，并通过浮力控制实现对系统净浮力的调节，可在0至25公里任意高度层连续保持数小时滞空，通过设备吊舱携带的任务载荷完成对飞行包线内的系统空间位置等参数采集，经过通讯中继平台，实现数据采集下传以及地面的指令遥控，系统原理图见图1。

2.2 系统组成

系统采用轻质球体作为氦气载体，设备吊舱位于球体下部，内部布置能源、测控通讯、环控、浮力调节以及安全控制等系统。

球体采用高强、抗老化、耐低温囊体材料，能够适应；能源系统选用12V锂电池组对设备供电；测控通讯系统包含球上测控通讯终端和地面显控终端，用于平台与地面的上、下行双向通信功能，并采用定向天线增强距离效能，同时集成双冗余GPS设计，确保平台的准确定位；环控系统采用被动环控为主、主动热控为辅的设计方法，保障各项设备载荷对平流层低温低压的适应能力；浮力调节系统包含抛重和放气装置，用于留空过程系统净浮力的调节与控制，保证平台的长时留空能力；安全控制系统用于下降过程或紧急情况下的系统降落回收。

2.3 飞行控制策略

为完成目标区域空间试验需求，需要依据当地大气环境特性制定相应的轨迹预测和飞行控制策略。

轨迹预测是基于对流层、平流层风速风向变化规律，结合球体动力学特性，仿真分析平台飞行过程中的运动方向及运动速度，进而实现对平台飞行路径的预测。平台滞空过程中，根据实时探测的风速、风向数据信息，不断对后时刻轨迹进行预测与修正，对落点区域提前定位。

飞行控制策略是在轨迹预测基础上，根据任务要求，选择合适的放飞地址和时间窗口。平台放飞时，通过多充入一定的氦气，保持一定的净浮力快速升空，同时调整净浮力的大小，可使平台满足120～360米/分钟的升速要求。平台到达预定高度后，释放部分氦气，使系统重浮力达到平衡状态，实现定点留空。留空过程中，由于平台会受气流及内外温差变化等各种因素扰动而偏离原来的位置，此时需借助浮力调节装置使平台在各种情况下都尽可能自动逼近原来的高度位置并保持稳定，进而满足各项任务载荷的滞空试验需求。

为验证平台的浮力控制技术和留空性能，我司开展了小型化平台的飞行试验，试验结果显示，平台系统在19公里左右高度实现了12小时连续滞空（如图2），充分验证了平台的总体设计、测控通信、浮力控制等关键技术。

3 结束语

本文提出了一套基于浮力控制的高空长时试验平台技术，并开展了系统研制和飞行验证试验。该系统能够在0至25公里任意高度层保持10小时以上连续滞空，可以为后续相关领域研究提供新型的空间试验平台。

参考文献

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作者简介

陆景松（1984-），男，江苏省扬州市人.硕士学位。现为中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师，从事热设计、高空探测研究工作。

作者单位

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230031