平流层飞艇的附加质量及其对飞艇运动的影响

摘要

飞艇是一种可操纵的浮于空气中的飞行器。近年来，随着航空技术、材料技术等科学技术的不断发展，使得飞艇被越来越多地用于运输、观测、勘察以及通信等领域中。平流层是大气层中最平静的一段，不受天气影响。由于平流层有着稳定的气象条件和良好的电磁特性，数十年来人们一直在尝试利用平流层平台长期驻空进行观测和通信。对于平流层飞艇，由于它的长滞空时间(与飞行器相比)和高分辨率(与卫星平台相比)等优点，为空中预警、侦察、监视等军事用途也提供了不可多得的空中载体，受到世界各主要强国的高度重视。 与传统的飞机、导弹等飞行器相比，平流层飞艇要在20公里的高空长期、稳定和可靠的定点停留，必须具有自主飞行和空中定点的能力。因此，研究飞艇的受力情况和运动情况就显得尤为重要。由于飞艇体积庞大，惯性特征十分显著，因此受力分析时，必须考虑飞艇所受的流体惯性力，通常采用附加质量来表示。 本文就是要研究平流层飞艇的附加质量及其对飞艇运动的影响。 本文应用势流理论分析空气流场，采用三维Hess-Smith方法自编程序，对飞艇的附加质量进行数值计算；在详细分析飞艇受力情况的基础上，依据理论力学原理建立飞艇的动力学方程——六自由度非线性运动方程。然后，将不同的附加质量值应用到方程中，得到不同的运动参数值，由此说明附加质量对运动方程的影响情况；最后，在飞艇六自由度非线性方程的基础上进行非线性解耦控制，使飞艇能够处于稳定状态。 本文通过计算若干算例，得出不同飞艇在不同飞行高度下的附加质量值，利用这些值来计算飞艇运动的状态参数，进而分析附加质量对飞艇运动是否有影响。最后，根据得出的附加质量来计算解耦控制后飞艇的运动参数，判断飞艇能否处于稳定运动状态。本文采用的方法和自编程序具有工程应用前景。