鄧小龍，楊希祥，麻震宇，朱炳杰，侯中喜

國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073

臨近空間是指介于傳統(tǒng)航空器飛行高度和航天器軌道高度的空天結(jié)合區(qū)域，因其獨(dú)特的大氣環(huán)境和距地高度，蘊(yùn)含著巨大的軍事和民用價(jià)值，是當(dāng)前國際競(jìng)爭的前沿領(lǐng)域[1]。平流層浮空器是主要依靠浮升氣體產(chǎn)生的浮力在平流層飛行的一類飛行器，是當(dāng)前進(jìn)行臨近空間應(yīng)用的重要技術(shù)平臺(tái)，主要包括高空氣球和平流層飛艇[2-4]。由于工作在氣流相對(duì)平穩(wěn)、垂直對(duì)流小的平流層環(huán)境，平流層浮空器具有駐空時(shí)間長、載荷能力大、使用效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)長期、實(shí)時(shí)、全天候、全天時(shí)的信息獲取能力，可為對(duì)地觀測(cè)、預(yù)警探測(cè)、通信中繼、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等應(yīng)用需求提供解決方案，具有巨大應(yīng)用前景[5-6]。

高空氣球(見圖1)是一類無動(dòng)力平流層浮空器，是目前在臨近空間開展科學(xué)研究與技術(shù)驗(yàn)證的主要平臺(tái)[7-9]。隨著囊體材料技術(shù)、超壓技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)相繼突破[10-12]，高空氣球的發(fā)展與應(yīng)用日趨成熟[13-15]。但是，由于高空氣球只能被動(dòng)地隨風(fēng)飛行，主要通過動(dòng)力學(xué)仿真來預(yù)估其飛行軌跡，難以對(duì)其飛行軌跡進(jìn)行規(guī)劃和控制，這也導(dǎo)致其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制[16-18]。平流層飛艇(見圖2)是一類依靠循環(huán)能源驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行可控飛行的平流層浮空器，可實(shí)現(xiàn)持久區(qū)域駐留[19-20]。但是，由于工作高度處的大氣密度低，平流層飛艇體積龐大，具有顯著大慣量、長時(shí)延等特點(diǎn)，飛行性能受環(huán)境(尤其是風(fēng)場(chǎng)環(huán)境)影響較大，飛行控制難度大[21]。為執(zhí)行飛行任務(wù)，平流層飛艇需要具備強(qiáng)大的動(dòng)力和能源來克服風(fēng)場(chǎng)影響，導(dǎo)致其動(dòng)力分系統(tǒng)和能源分系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，重量代價(jià)高，這也是目前平流層飛艇設(shè)計(jì)和應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要問題[22-23]。同時(shí)，平流層飛艇技術(shù)還需要進(jìn)一步突破材料、推進(jìn)、能源、控制、超熱超壓等關(guān)鍵技術(shù)與核心問題[24-26]。

圖1 NASA高空氣球示意圖[8]Fig.1 Schematic of NASA high altitude balloon[8]

圖2 平流層飛艇Stratobus示意圖Fig.2 Schematic of stratospheric airship Stratobus

對(duì)平流層飛艇和高空氣球的綜合分析可知，平流層飛艇的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)自主尋航與定點(diǎn)駐留，不足之處是系統(tǒng)復(fù)雜程度高、總體與關(guān)鍵技術(shù)難度大；高空氣球具備結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)施靈活的優(yōu)點(diǎn)，但由于飛行軌跡和區(qū)域難以控制，無法滿足多數(shù)軍事和民事應(yīng)用要求。因此，將平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的一類新型平流層浮空器在近年來受到廣泛關(guān)注。

此類平流層浮空器的設(shè)計(jì)思想如圖3所示：針對(duì)平流層底部存在東西風(fēng)向翻轉(zhuǎn)，且在東風(fēng)帶和西風(fēng)帶之間存在空間范圍較大、時(shí)間上比較穩(wěn)定的準(zhǔn)零風(fēng)層的特點(diǎn)[27-28]，通過改變平流層浮空器駐空高度，主動(dòng)地對(duì)不同高度風(fēng)層的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合理利用，以較小的能源和動(dòng)力代價(jià)實(shí)現(xiàn)飛行器的區(qū)域駐留或軌跡規(guī)劃[29-30]。在設(shè)計(jì)上，新型平流層浮空器結(jié)合了平流層飛艇和高空氣球的優(yōu)點(diǎn)，一方面，它采用了與高空氣球相似的技術(shù)路線，繼承結(jié)構(gòu)簡易、操作方便、成本低、安全可靠等特點(diǎn)。另一方面，對(duì)高空氣球的控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)革新，可以充分利用平流層環(huán)境特征，克服高空氣球在軌跡控制和高度控制上的局限性，通過對(duì)飛行軌跡的設(shè)計(jì)和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的長時(shí)駐留。

圖3 基于風(fēng)場(chǎng)利用的平流層浮空器工作原理圖Fig.3 Principle of stratospheric aerostats based on wind field utilization

需要注意的是，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境受時(shí)域和地域的影響大，平流層準(zhǔn)零風(fēng)層的出現(xiàn)也有一定的時(shí)間和空間規(guī)律特點(diǎn)。例如，在中國低緯地區(qū)，一般冬季和初春有準(zhǔn)零風(fēng)層風(fēng)場(chǎng)存在，中高緯地區(qū)則通常出現(xiàn)在春末和夏季，中低緯過渡區(qū)域的準(zhǔn)零風(fēng)層與準(zhǔn)兩年振蕩有關(guān)[27,31]。因此，基于風(fēng)場(chǎng)利用的平流層浮空器在應(yīng)用中還應(yīng)考慮環(huán)境約束的限制。

近年來，國內(nèi)外研究人員對(duì)基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器開展了大量的理論研究和實(shí)踐探索，并取得了非常積極的成果。本文通過對(duì)典型軍民項(xiàng)目的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，梳理此類平流層浮空器所面臨的核心問題，對(duì)目前提出的解決方案進(jìn)行了分析，從實(shí)際應(yīng)用的角度討論了相關(guān)技術(shù)難題的可行解決方案。

1 典型項(xiàng)目研究進(jìn)展

隨著高空氣球應(yīng)用和平流層飛艇技術(shù)研究的不斷推進(jìn)，基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器受到了廣泛關(guān)注，并在理論研究和實(shí)踐方面開展了大量工作，取得了非常多積極的、卓有成效的成果。典型項(xiàng)目包括民用領(lǐng)域進(jìn)行商用化拓展的谷歌“Project Loon”項(xiàng)目和軍用領(lǐng)域堅(jiān)持理論攻關(guān)與試驗(yàn)驗(yàn)證并進(jìn)的諾斯羅譜·格魯曼“STRATACUS”項(xiàng)目。

谷歌氣球“Project Loon”項(xiàng)目于2013年正式公布，旨在通過對(duì)大量平流層浮空器進(jìn)行組網(wǎng)控制，構(gòu)建平流層通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域持續(xù)覆蓋，為全球范圍內(nèi)無互聯(lián)網(wǎng)接入的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)提供快速穩(wěn)定廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)[32-33]。自提出以來，谷歌氣球突破了諸多浮空器設(shè)計(jì)、制造的關(guān)鍵技術(shù)，并完成了大量的飛行試驗(yàn)，發(fā)展成為全球關(guān)注的創(chuàng)新研究項(xiàng)目。如圖4所示，谷歌氣球通過調(diào)控副氣囊中的空氣量來改變飛行高度，利用不同風(fēng)層的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域駐留[34]。2013年6月，谷歌在新西蘭2個(gè)發(fā)放點(diǎn)進(jìn)行了首次公開測(cè)試，驗(yàn)證了利用30只氣球提供互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)的可行性；2014年3月，谷歌氣球?qū)崿F(xiàn)了22天時(shí)間完成繞地球飛行的試驗(yàn)。通過對(duì)技術(shù)和工藝的不斷提升，至2015年，單個(gè)氣球創(chuàng)造了187天持續(xù)飛行記錄，平均單個(gè)氣球飛行時(shí)間超過100天；2016年，在巴西、澳大利亞、新西蘭、斯里蘭卡等國家大量試飛，在秘魯實(shí)現(xiàn)了98天的區(qū)域駐留；2017年10月，向遭受颶風(fēng)襲擊的波多黎各提供緊急通信和網(wǎng)絡(luò)覆蓋支援；2018年7月，谷歌氣球項(xiàng)目開始獨(dú)立運(yùn)營，并為肯尼亞偏遠(yuǎn)地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；2018年8月，驗(yàn)證7個(gè)氣球進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸1 000 km的關(guān)鍵技術(shù)。

諾斯羅譜·格魯曼(諾-格)公司于2012年提出“SCN”(平流層通信節(jié)點(diǎn))項(xiàng)目，后改名為“STRATACUS”(平流層C4ISR無人站)項(xiàng)目，如圖5所示。該項(xiàng)目旨在通過對(duì)一定數(shù)量的平流層氣球進(jìn)行多網(wǎng)協(xié)作控制，為美軍提供持久的戰(zhàn)區(qū)寬域指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察(C4ISR)服務(wù)[35]。STRATACUS項(xiàng)目瞄準(zhǔn)戰(zhàn)場(chǎng)的快速區(qū)域信息保障需求，采用零壓氣球技術(shù)，通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速批量部署能力，可提前置于戰(zhàn)略位置，并可根據(jù)需要經(jīng)空中或地面快速運(yùn)輸至指定區(qū)域，可數(shù)小時(shí)內(nèi)完成卸貨、部署發(fā)放和抵達(dá)駐空位置，提供2個(gè)月以上的持久覆蓋。2013年，完成概念可行性階段工作，在美國空軍基地完成了階段飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證氣球吊艙內(nèi)通信載荷提供通信和情報(bào)、監(jiān)視與偵察的能力；2014年項(xiàng)目載荷為“阿拉斯加地盾”軍演提供支持，驗(yàn)證其載荷的靈活性，以及其支持公共安全、應(yīng)急響應(yīng)及其他通信網(wǎng)的能力。目前，項(xiàng)目正處于位置保持算法、高度控制方法和系統(tǒng)能源設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究階段，同時(shí)通過利用全球大氣風(fēng)場(chǎng)30年的數(shù)據(jù)，研究不同高度、高分辨率風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)，以提供飛行規(guī)劃或預(yù)測(cè)。

圖4 谷歌“Project Loon”應(yīng)用示意圖Fig.4 Application schematic of Google “Project Loon”

圖5 諾-格STRATACUS項(xiàng)目應(yīng)用示意圖[35]Fig.5 Application schematic of Northrop Grumman “STRATACUS” project[35]

基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器在設(shè)計(jì)上繼承了高空氣球的技術(shù)路線，在工程上繼承了高空氣球和平流層飛艇攻關(guān)成果，其系統(tǒng)復(fù)雜度較低，對(duì)能源、動(dòng)力、控制、材料結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的要求不高。實(shí)際上，隨著長航時(shí)高空氣球技術(shù)的不斷突破，該類平流層浮空器在設(shè)計(jì)和加工中涉及的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，具備良好工程基礎(chǔ)。但是，這種新型平流層浮空器在邁向?qū)嵱没牡缆飞?，仍面臨一些與其工作原理相關(guān)的特有關(guān)鍵技術(shù)，如對(duì)風(fēng)場(chǎng)感知/建模、風(fēng)場(chǎng)利用方法、軌跡規(guī)劃或區(qū)域駐留策略等。

2 風(fēng)場(chǎng)感知/建模技術(shù)

基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器的主要工作原理是對(duì)準(zhǔn)零風(fēng)層進(jìn)行合理利用，其決策如何利用風(fēng)場(chǎng)的重要前提是獲取準(zhǔn)確的準(zhǔn)零風(fēng)層的風(fēng)場(chǎng)信息。當(dāng)前，風(fēng)場(chǎng)信息可通過風(fēng)場(chǎng)測(cè)量/感知、風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)/建模等方法來得到。

2.1 平流層風(fēng)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

目前，各國已建立氣象觀測(cè)系統(tǒng)，可提供相應(yīng)站點(diǎn)的高空風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)手段主要包括地基的風(fēng)廓線雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，以及基于探空氣球的導(dǎo)航測(cè)風(fēng)、無線電經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)、GPS測(cè)風(fēng)等手段?；臼降奶綔y(cè)系統(tǒng)通常測(cè)量精度較高，但受限于測(cè)量點(diǎn)約束，地面觀測(cè)站的覆蓋面是非常小的，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、遠(yuǎn)海地區(qū)、發(fā)生災(zāi)難等應(yīng)用地區(qū)則難以提供及時(shí)的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)信息。車載移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)距離一般只有幾公里，且高度分辨率和風(fēng)向探測(cè)精度較差[36]。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)于中低空風(fēng)向風(fēng)速具有較高的測(cè)量精度，但其系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)于高空風(fēng)的探測(cè)還有待進(jìn)一步發(fā)展成熟[37]。基于探空氣球的測(cè)風(fēng)技術(shù)(圖6)，主要是通過測(cè)量探空儀的運(yùn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速推算，通過系統(tǒng)位置速度變化換算風(fēng)向風(fēng)速存在一定延時(shí)，風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量實(shí)時(shí)性較差，且在時(shí)間和空間上是離散測(cè)量，持續(xù)性不高[38]。因此，對(duì)于平流層浮空器廣闊的應(yīng)用區(qū)域，平流層原位風(fēng)場(chǎng)感知測(cè)量技術(shù)是提供風(fēng)場(chǎng)信息的有效手段。

圖6 氣球探空儀[38]Fig.6 Weather balloon with radiosonde[38]

圖7 機(jī)載多普勒激光雷達(dá)Fig.7 Airborne Doppler radar

圖8 艇載超聲波風(fēng)速儀Fig.8 Airship-borne ultrasonic anemometer

用于實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)感知的常規(guī)地面風(fēng)速測(cè)量設(shè)備包括：葉輪式、皮托管式、熱線/熱膜式、激光多普勒式(圖7)、超聲波式(圖8)等[39]。這些測(cè)風(fēng)設(shè)備在地面或低空應(yīng)用時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)較高的精度。但是，平流層環(huán)境苛刻，例如20 km高度大氣壓僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的1/14左右，溫度為-60 ℃左右，在高空稀薄的大氣中飛行，其來流最大動(dòng)壓小于10 Pa，這也帶來了特有的技術(shù)難點(diǎn)：滿足低氣壓、低風(fēng)速環(huán)境的高精度、高靈敏度傳感器制造技術(shù)；適應(yīng)低溫、強(qiáng)紫外線和臭氧等惡劣環(huán)境條件的傳感器防護(hù)技術(shù)；在長期駐空背景條件下，傳感器可靠性設(shè)計(jì)、散熱性能設(shè)計(jì)；飛行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及擾動(dòng)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的影響和修正問題；艇身繞流干擾與來流速度、迎角和風(fēng)速儀安裝位置密切相關(guān)(圖9)，艇身干擾修正問題[40]；探測(cè)設(shè)備的功率及重量限制問題等。實(shí)際上，平流層風(fēng)場(chǎng)原位測(cè)量是當(dāng)前一個(gè)重要的研究方向，正在發(fā)展的技術(shù)包括：旋轉(zhuǎn)增壓風(fēng)速儀、多普勒激光雷達(dá)等[41-42]。

圖9 飛艇速度云圖與艇載風(fēng)速儀位置Fig.9 Map of airship speed and position of ultrasonic anemometer

2.2 平流層風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)與建模技術(shù)

隨著高性能計(jì)算機(jī)及數(shù)值模式技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)具備了較高的準(zhǔn)確率和時(shí)效性。但是，由于預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要關(guān)注對(duì)流層和近地面的氣象特征，對(duì)平流層底部附近風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)化預(yù)報(bào)度仍需進(jìn)一步提高。

國外通常采用全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)為平流層飛艇和高空氣球提供氣象保障，如采用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)[43]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)平流層及以下大氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，一方面是提高模式層頂高度。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)通過引入高精度有限元離散方法等技術(shù)，解決了模式垂直方向的高精度計(jì)算問題，將中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式的模式頂延伸到約80 km[44]；美國國家大氣研究中心(NCAR)的全球天氣研究和預(yù)報(bào)模式(Global-WRF)采用非靜力框架，通過引入垂直嵌套，能對(duì)平流層下層以下的大氣環(huán)境進(jìn)行高分辨率模擬[45]；美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)已將其NOGAPS-ALPHA模式高度從大約35 km擴(kuò)展至大約65 km。另一方面是相應(yīng)地提高模式的水平分辨率，對(duì)于模式動(dòng)力框架的升級(jí)不僅可全面提升模式的整體性能，也有助于提高模式對(duì)對(duì)流層-平流層相互作用的模擬能力[46]。目前全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式的最高分辨率已達(dá)到 10 km 左右。

ECMWF的中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)在2016年將全球中期確定性業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式的水平分辨率提高到了9 km。NCEP的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)在2015年初將水平分辨率提高至約為13 km。但是，由于全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的難度及計(jì)算保障需求，對(duì)于臨近空間飛行器設(shè)計(jì)與應(yīng)用而言，氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)通常作為一種保障手段和決策依據(jù)，對(duì)于飛行器在線控制和任務(wù)規(guī)劃則需要有實(shí)時(shí)額外保障。

除了上述的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，基于歷史數(shù)據(jù)分析的平流層風(fēng)場(chǎng)快速建模方法得到了關(guān)注，這為基于風(fēng)場(chǎng)利用的平流層浮空器研究提供了有效手段[47]。該方法通常包括如圖10 (a)所示的4步：① 歷史數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理，通過全球再分析資料產(chǎn)品庫獲取相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)并格式規(guī)范化處理；② 海量數(shù)據(jù)的降維處理，由于風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)量大，所含的信息量階數(shù)過多，常用降階方法有本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition，POD)方法，通過獲取風(fēng)場(chǎng)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)正交基，可用少量階數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正交基和投影系數(shù)來表征原風(fēng)場(chǎng)信息；③ 風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型建立，通常分別針對(duì)東西方向和南北方向的規(guī)律建立風(fēng)場(chǎng)模型，如圖10 (b)所示，使用Fourier預(yù)測(cè)模型可以對(duì)東西方向風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)精度與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律性有關(guān)[48]，或如圖10 (c)所示，使用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)投影系數(shù)建模，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)對(duì)投影系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[49]；④ 預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)獲取與模型更新，通過飛行軌跡進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，得到反演風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，融合反演風(fēng)場(chǎng)對(duì)預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行修正[50]。其中，預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)建模方法和反演風(fēng)場(chǎng)融合方法對(duì)于預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)建模有重要影響，仍有待進(jìn)一步研究。

圖10 平流層風(fēng)場(chǎng)快速建模方法Fig.10 Fast modeling method for stratospheric wind field

3 風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)

3.1 基于高度調(diào)控的風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)

基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器的工作原理指出，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域駐留，需要對(duì)不同高度風(fēng)層的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行有效利用，這就要求飛行器具備快速進(jìn)入指定風(fēng)層的高度調(diào)控能力。根據(jù)浮空器駐空階段的浮重平衡關(guān)系可知，改變其浮重狀態(tài)的主要手段有改變系統(tǒng)所受浮力、改變系統(tǒng)所受重力。具體而言，目前浮空器高度調(diào)控方法主要有壓艙物、外置副氣囊、內(nèi)置副氣囊、浮力體體積調(diào)節(jié)等，其中壓艙物調(diào)節(jié)是不可逆過程，主要用于實(shí)現(xiàn)有限次調(diào)控目的。

浮空器所受浮力由其體積及所處環(huán)境大氣密度決定。通過體積調(diào)控，可對(duì)浮空器所受浮力進(jìn)行控制，進(jìn)而改變系統(tǒng)原有的浮重平衡。圖11給出了幾種典型的浮空器體積調(diào)控策略，包括直接對(duì)囊體體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，或改變氣體溫度進(jìn)行間接體積調(diào)節(jié)。直接體積調(diào)節(jié)方案是通過變體積執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行囊體體積調(diào)控。文獻(xiàn)[51]中給出了一種在氣囊內(nèi)設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行體積調(diào)控的技術(shù)方案(圖11(a))，包括連接板、伸縮桿、連接座、電動(dòng)絞盤和鋼索，其原理是利用伸縮裝置調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部的伸縮桿和連接板的角度來改變體積。如圖11(b)所示，Voss和Riddle提出通過囊體表面經(jīng)向拉伸機(jī)構(gòu)進(jìn)行南瓜形超壓氣球體積調(diào)控的技術(shù)方案[52]，主要包括伸縮索、絞盤、穩(wěn)定筋環(huán)等，工作原理是利用伸縮裝置調(diào)節(jié)伸縮索，使得氣球外形發(fā)生變化。圖11(c)的方案是在浮空器主氣囊內(nèi)設(shè)置超壓內(nèi)囊體(或超壓氣罐)，通過將浮升氣體壓入或放出超壓囊體實(shí)現(xiàn)浮空器體積變化[53]。圖11(d)中給出了對(duì)浮升氣體溫度進(jìn)行調(diào)控的方法，通過溫度改變實(shí)現(xiàn)浮空器的體積控制，該技術(shù)主要通過在囊體表面(或囊體內(nèi)部)安裝氣體加熱系統(tǒng)，根據(jù)需要控制加熱系統(tǒng)的工作模式[35,54]。

圖11 高度調(diào)控方案Fig.11 Methods for altitude control

總體而言，變體積技術(shù)方案的控制設(shè)計(jì)容易，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜度和重量代價(jià)較高；氣體加熱方法的機(jī)構(gòu)簡單，但需考慮熱平衡過程，控制設(shè)計(jì)復(fù)雜。

基于浮空器系統(tǒng)重量調(diào)節(jié)的高度調(diào)控方法通常是將外界環(huán)境空氣作為可重復(fù)利用的壓艙物，控制空氣的壓入或釋放實(shí)現(xiàn)重量調(diào)節(jié)和高度調(diào)節(jié)[55]。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括副氣囊、風(fēng)機(jī)(或泵)、閥門等。當(dāng)需要降低駐空高度時(shí)，通過控制風(fēng)機(jī)將外界空氣壓入副氣囊，增加系統(tǒng)重量；當(dāng)需要升高駐空高度時(shí)，通過控制閥門釋放副氣囊內(nèi)空氣，減輕系統(tǒng)重量。相對(duì)于基于體積變化的高度調(diào)控技術(shù)，副氣囊技術(shù)的系統(tǒng)組成復(fù)雜性和控制難度較低，其主要難度在于研制適用于寬工況高空環(huán)境的高效風(fēng)機(jī)。圖12給出了谷歌氣球及其設(shè)計(jì)的專用壓氣機(jī)，實(shí)際上通過方案階段對(duì)比研究基于浮升氣體溫度控制方法[54]和基于副氣囊內(nèi)空氣量控制的高度調(diào)控技術(shù)[56]，在設(shè)計(jì)出適用于高空環(huán)境的專用風(fēng)機(jī)，采用了后者技術(shù)途徑。

此外，多氣球組合技術(shù)也為風(fēng)場(chǎng)利用提供了新的技術(shù)途徑。文獻(xiàn)[57]給出了一種具備長航時(shí)駐空飛行能力的串聯(lián)式氣球系統(tǒng)。如圖13所示，該系統(tǒng)由一個(gè)零壓主氣球與位于載荷下方的一個(gè)超壓輔氣球串聯(lián)組成。通過一根可伸縮的懸掛繩可提高串聯(lián)氣球系統(tǒng)的駐空性能，在僅消耗少量能源的情況下改變主氣球的駐空高度，使傳統(tǒng)零壓氣球駐空高度波動(dòng)的現(xiàn)象得以改善，還可利用不同風(fēng)向的風(fēng)層進(jìn)行軌跡控制。雙氣球系統(tǒng)通過對(duì)主氣球和輔氣球協(xié)作規(guī)劃，具有一定軌跡控制能力。一方面，通過調(diào)節(jié)氣球之間的高度，可以控制主氣球的駐空高度，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)的有效利用；另一方面，通過將主/輔氣球處于不同的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，可以通過二者之間的受力差異進(jìn)行整系統(tǒng)的軌跡調(diào)節(jié)。需要注意，雙氣球系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和控制響應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

圖12 谷歌氣球及其風(fēng)機(jī)Fig.12 Google balloon and its pump

圖13 雙氣球系統(tǒng)[57]Fig.13 Tandem balloons system[57]

3.2 基于氣動(dòng)帆牽引的風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)

除了通過高度調(diào)控技術(shù)對(duì)不同高度層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行利用，研究人員還提出通過在氣球下方懸掛類似于機(jī)翼的氣動(dòng)帆面的技術(shù)途徑。如圖14所示，通過控制氣動(dòng)帆面產(chǎn)生的力矩，帶動(dòng)浮空器相對(duì)于地面目標(biāo)實(shí)現(xiàn)偏航控制，從而控制浮空器系統(tǒng)的飛行軌跡[58-61]。

文獻(xiàn)[59]中的軌跡控制裝置工作在平流層底部，利用該處風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的氣動(dòng)力來提供控制力矩，直接帶動(dòng)浮空器系統(tǒng)，控制其飛行軌跡，該系統(tǒng)主要包括機(jī)翼、尾翼和機(jī)身等，也稱集成翼。機(jī)翼(包括副翼)是產(chǎn)生升力的主要部件，倒V型尾翼上有方向舵和升降舵。改變副翼的偏轉(zhuǎn)角可控制集成翼的滾轉(zhuǎn)，而控制集成翼的俯仰和偏航則需要同時(shí)改變方向舵和升降舵的舵偏角，兩舵同時(shí)上偏或同時(shí)下偏起升降舵作用，偏轉(zhuǎn)方向相反時(shí)起方向舵作用。文獻(xiàn)[60]提出利用軌跡控制裝置調(diào)整浮空氣球高度，通過氣球利用準(zhǔn)零風(fēng)層上下層緯向風(fēng)反向的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)東西方向控制；利用軌跡控制裝置產(chǎn)生經(jīng)向控制力，通過系繩拖動(dòng)氣球?qū)崿F(xiàn)南北方向控制。仿真結(jié)果指出，在一定的風(fēng)場(chǎng)條件下，浮空器的位置和速度可以按照控制目標(biāo)進(jìn)行改變，能夠?qū)崿F(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)駐留和機(jī)動(dòng)飛行，但機(jī)動(dòng)調(diào)整時(shí)間較長，南北方向控制精度較差。本技術(shù)的主要難點(diǎn)在于氣動(dòng)帆軌跡控制裝置的控制方案，其中需要考慮浮空器系統(tǒng)與控制裝置之間的牽引力、浮空器的受力情況等因素。

圖14 氣球軌跡控制系統(tǒng)Fig.14 Trajectory control system for balloons

3.3 基于動(dòng)力微調(diào)的風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)

由前文分析可知，在利用不同高度層的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，浮空器系統(tǒng)需要具備氣球或控制機(jī)構(gòu)的高度調(diào)控和相應(yīng)決策等技術(shù)。而對(duì)于工作在特定高度的平流層浮空器而言，則無需考慮上述問題。為此，人們針對(duì)定高工作在弱風(fēng)層或準(zhǔn)零風(fēng)層的平流層浮空器，提出了使用弱動(dòng)力微調(diào)的技術(shù)方案[62-64]，其基本思想是：僅當(dāng)平流層浮空器處于不利于駐留的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境且將偏離工作區(qū)域時(shí)，通過系統(tǒng)攜帶動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)處理，其余時(shí)間則利用該風(fēng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行駐空飛行?？紤]到氣動(dòng)阻力影響，可采用與高空哨兵(Hisentinel)類似的流線型設(shè)計(jì)和尾部推進(jìn)布局[62]。

4 軌跡控制與規(guī)劃

在風(fēng)場(chǎng)感知/建模技術(shù)和風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，基于風(fēng)場(chǎng)利用的平流層浮空器應(yīng)通過合理的軌跡控制與規(guī)劃方法進(jìn)行區(qū)域駐留或按一定的軌跡飛行。雖然利用風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域駐留的概念已經(jīng)提出較長時(shí)間，但是直到近年來才受到較大的關(guān)注。

4.1 不同駐空策略的駐留能力

文獻(xiàn)[48,65]開展了平流層浮空器面向指定駐留點(diǎn)的駐留策略研究，該方法根據(jù)浮空器當(dāng)前位置計(jì)算其與設(shè)定駐留點(diǎn)的偏離，推算返回駐留點(diǎn)所需的風(fēng)速和風(fēng)向等條件，并以此為目標(biāo)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行風(fēng)層搜索，獲取滿足條件的風(fēng)層結(jié)果，最后通過高度調(diào)控技術(shù)運(yùn)行至目標(biāo)風(fēng)層。由于預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的誤差，平流層浮空器在控制規(guī)劃下仍會(huì)偏離駐留點(diǎn)，因此需要不斷地重復(fù)上述工作過程，修正偏離位置。圖15給出了浮空器自由飄飛與基于指定駐留點(diǎn)策略的軌跡仿真結(jié)果對(duì)比[48]，可以看出通過該策略能夠?qū)⒏】掌黢v留在一定區(qū)域內(nèi)。文獻(xiàn)[65]對(duì)比分析了雙氣球系統(tǒng)和氣動(dòng)帆控制系統(tǒng)在3種不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的駐留結(jié)果。結(jié)果指出，2種控制方法均可實(shí)現(xiàn)距離駐留點(diǎn)半徑500 km的駐留，但2種技術(shù)的具體應(yīng)用效能則受到所處風(fēng)場(chǎng)環(huán)境影響。例如，當(dāng)主氣球高度處的風(fēng)場(chǎng)弱時(shí)，則采用氣動(dòng)帆控制系統(tǒng)的平流層浮空器區(qū)域駐留性能更優(yōu)；當(dāng)副氣球或氣動(dòng)帆高度風(fēng)場(chǎng)與主氣球風(fēng)場(chǎng)相當(dāng)時(shí)，則采用雙氣球系統(tǒng)的平流層浮空器區(qū)域駐留性能更優(yōu)。

圖15 自由飄飛軌跡與基于指定駐留點(diǎn)策略的浮空器軌跡對(duì)比[48]Fig.15 Comparison of trajectories between free flying and fix point strategy of stratospheric aerostat[48]

同時(shí)，面向一定駐留區(qū)域的駐留方法也得到了研究，目前主要是根據(jù)浮空器所在位置與駐留區(qū)域的關(guān)系進(jìn)行決策。當(dāng)超出駐留區(qū)域范圍時(shí)，則需要調(diào)整至返回駐留區(qū)域的風(fēng)層，否則不進(jìn)行控制。相對(duì)于駐留點(diǎn)模式，該方法的約束范圍更大，相應(yīng)的控制策略和代價(jià)更小。文獻(xiàn)[66]依據(jù)風(fēng)場(chǎng)特征設(shè)置準(zhǔn)零風(fēng)層高度，將風(fēng)場(chǎng)分為上層?xùn)|風(fēng)帶和下層西風(fēng)帶，并對(duì)東西方向和南北方向分別進(jìn)行控制。在東西方向上利用副氣囊高度調(diào)控使得氣球在不同風(fēng)層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)利用，在南北方向上利用螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)進(jìn)行抗風(fēng)，當(dāng)浮空器超過設(shè)置的經(jīng)緯區(qū)域要求時(shí)，則啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)控手段。仿真結(jié)果指出，在一定條件內(nèi)可實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域駐留。

在東西方向和南北方向分別控制的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[67]提出了推進(jìn)系統(tǒng)的2種工作模式：基于飛行速度約束控制和基于南北偏移位置約束控制。如圖16所示，前者在高度調(diào)控利用風(fēng)場(chǎng)的同時(shí)，使用推進(jìn)系統(tǒng)將南北方向上的飛行速度控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)南北風(fēng)速小于該范圍時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)提供的空速與風(fēng)速一致，當(dāng)大于該范圍時(shí)則動(dòng)力推進(jìn)分系統(tǒng)提供最大設(shè)置推進(jìn)能力。后者是指，東西方向上的控制策略與基于推進(jìn)系統(tǒng)速度控制模式類似，在南北方向上設(shè)置浮空器南北方向飛行范圍，當(dāng)浮空器在南北方向上的位置接近設(shè)定范圍時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)并抵抗南北風(fēng)場(chǎng)的影響。研究結(jié)果指出，基于飛行速度約束控制模式在風(fēng)速較小時(shí)，浮空器可以隨風(fēng)自由飄行，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，通過推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)浮空器飛行速度進(jìn)行控制，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的功率要求較低，但開啟使用的時(shí)間較長，動(dòng)力系統(tǒng)的控制回路要求高；基于南北位置約束是考慮在南北方向上浮空器與駐留中心的距離，當(dāng)距離較大時(shí)，通過推進(jìn)系統(tǒng)抵消經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的影響，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)開啟使用的時(shí)間較短，但對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的功率要求較高。

圖16 基于速度約束和南北位置約束的平流層浮空器三維軌跡[67]Fig.16 3D trajectory of flying speed constraint and south-north position constraint strategy of stratospheric aerostats[67]

針對(duì)東西方向和南北方向獨(dú)立控制對(duì)調(diào)控次數(shù)多和能源需求大的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[68]討論了對(duì)風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制區(qū)域駐留策略，目的是更充分地利用風(fēng)場(chǎng)能量，減輕推進(jìn)系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)能耗。該工作模式主要用于在駐空高度范圍內(nèi)徑向風(fēng)及緯向風(fēng)均存在風(fēng)向切變的情況，在南北方向也通過高度調(diào)控進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)利用。通過對(duì)不同的東西和南北2個(gè)方向風(fēng)場(chǎng)切變高度差的分析，結(jié)果指出：在切變高度相近風(fēng)場(chǎng)條件下，與雙通道獨(dú)立控制策略相比，基于風(fēng)場(chǎng)綜合利用的協(xié)同控制策略對(duì)風(fēng)場(chǎng)的利用效率更高，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求相對(duì)較小，系統(tǒng)總能耗低；在切變高度相對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)條件下，并未顯著降低對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求，且大幅增加了高度調(diào)控系統(tǒng)的工作，導(dǎo)致系統(tǒng)總能耗與獨(dú)立控制策略的情況相當(dāng)，表明風(fēng)場(chǎng)的綜合利用程度取決于東西風(fēng)切變與南北風(fēng)切變高度差。

綜上可知，現(xiàn)有研究主要集中在基于動(dòng)力學(xué)模型的仿真分析，還應(yīng)進(jìn)一步開展風(fēng)場(chǎng)利用機(jī)理研究，引入智能決策方法提高風(fēng)場(chǎng)利用能力相關(guān)研究。

4.2 考慮環(huán)境與平臺(tái)特征的駐留能力

由于其特殊的外界環(huán)境和技術(shù)特點(diǎn)，平流層浮空器的駐留能力受多種外界因素的影響。文獻(xiàn)[69]對(duì)比分析了基于POD方法的Fourier級(jí)數(shù)風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型對(duì)平流層浮空器區(qū)域駐留能力的影響。結(jié)果指出，風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型精度對(duì)于區(qū)域駐留工作特性有重要影響。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法考慮了誤差反向傳播，對(duì)未來短期風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)精度更高，使得平流層浮空器的規(guī)劃軌跡與實(shí)際軌跡偏差小，可降低浮空器的調(diào)控需求，高度調(diào)控過程中所消耗的能源降低，同時(shí)也減小對(duì)閥門和風(fēng)機(jī)的性能要求。

現(xiàn)有研究通常假設(shè)球體為剛體，實(shí)際上，浮空器駐空時(shí)面臨著超熱超壓現(xiàn)象[70]，囊體材料在超壓作用下會(huì)受到應(yīng)力作用，材料發(fā)生延展，進(jìn)而對(duì)氣球體積產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[71]對(duì)直徑24 m超壓氣球的研究指出，浮空器氦氣晝夜溫差達(dá)46.5 K，相應(yīng)的晝夜超壓量分別為241.7 Pa和1 000 Pa，導(dǎo)致球體體積在7 389～7 876 m3的范圍內(nèi)變化，駐空高度會(huì)發(fā)生400 m的起伏，基于長沙地區(qū)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的軌跡分析指出，駐空階段的軌跡呈現(xiàn)出西南-東北方向往返飛行現(xiàn)象，這也為平流層浮空器的區(qū)域駐留研究提供了新思路。

5 結(jié) 語

本文以基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器為研究對(duì)象，綜述了最新典型項(xiàng)目的研究情況，并在此基礎(chǔ)上梳理了此類平流層浮空器區(qū)域駐留的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)討論了風(fēng)場(chǎng)感知與建模、風(fēng)場(chǎng)利用以及軌跡控制與規(guī)劃等核心問題。在風(fēng)場(chǎng)感知與建模技術(shù)中，重點(diǎn)討論了利用歷史風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)建模的方法，并提出風(fēng)場(chǎng)模型預(yù)測(cè)精度提高的思路。在風(fēng)場(chǎng)利用技術(shù)中，重點(diǎn)討論了新型平流層浮空器的高度調(diào)控技術(shù)、氣動(dòng)帆牽引技術(shù)、動(dòng)力微調(diào)技術(shù)，對(duì)比分析了各方案的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)。在軌跡控制與規(guī)劃技術(shù)中，重點(diǎn)討論了當(dāng)前平流層浮空器風(fēng)場(chǎng)利用策略的研究進(jìn)展，并討論了智能化決策方法在基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境利用的平流層浮空器區(qū)域駐留的可行性。本綜述對(duì)當(dāng)前提出的解決方案進(jìn)行討論，從實(shí)際應(yīng)用的角度探討了相關(guān)技術(shù)難題的可行解決方案。