智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27412

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

邓小龙(), 杨希祥, 朱炳杰, 麻震宇, 侯中喜

国防科技大学空天科学学院，长沙 410073

收稿日期:2022-05-10 修回日期:2022-05-24 接受日期:2022-06-01 出版日期:2023-04-25 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 邓小龙 E-mail:xiaolong.deng@outlook.com
基金资助:
国家自然科学基金(61903369)

Simulation research and key technologies analysis of intelligent stratospheric aerostat Loon

Xiaolong DENG(), Xixiang YANG, Bingjie ZHU, Zhenyu MA, Zhongxi HOU

College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2022-05-10 Revised:2022-05-24 Accepted:2022-06-01 Online:2023-04-25 Published:2022-07-08
Contact: Xiaolong DENG E-mail:xiaolong.deng@outlook.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61903369)

摘要/Abstract

摘要：

基于风场利用的智能平流层浮空器具有驻空时间长、系统构成简单、部署速度快、使用效费比高、自主能力强等优点，是临近空间飞行器发展的重要方向。针对典型基于风场利用的平流层浮空器Loon项目，通过对项目实施及实践探索的综述，深入分析其囊体材料与结构、高度调控、能源与推进、安控回收、风场建模、自主控制等关键技术特点，基于学科建模对总体参数、超热超压、气体泄漏、能源平衡、轨迹规划等方面进行仿真研究，总结了Loon智能平流层浮空器的技术特点，为基于风场利用的平流层浮空器设计与应用研究提供参考。

关键词: 临近空间, 平流层浮空器, Loon气球, 超压结构, 自主导航, 区域驻留

Abstract:

With the merits of long endurance， compact system configuration， rapid deployment， high cost-effectiveness and strong path planning capability， the intelligent stratospheric aerostat based on utilization of wind field is an important direction for the development of near space vehicles. As a typical intelligent stratospheric aerostat project using the wind field， Loon balloon is studied in this work. By reviewing and analyzing implementation and practical exploration of the project， the characteristics of the key technologies， including envelope material and structure， altitude control， energy and propulsion， safety control and recovery， wind field modeling， and autonomous control， have been analyzed. Based on the subject modeling method， simulation is carried out to analyze the overall parameters， super-heat and super-pressure properties， lift gas leakage， energy balance， trajectory planning. The technical characteristics of Loon balloon project are summarized， providing a reference for the design and application of the intelligent stratospheric aerostats based on utilization of wind field.

Key words: near space, stratospheric aerostat, Loon balloon, super-pressure structure, autonomous navigation, station keeping

中图分类号:

邓小龙, 杨希祥, 朱炳杰, 麻震宇, 侯中喜. 智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127412-127412.

Xiaolong DENG, Xixiang YANG, Bingjie ZHU, Zhenyu MA, Zhongxi HOU. Simulation research and key technologies analysis of intelligent stratospheric aerostat Loon[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(8): 127412-127412.

图/表 16

图 1

表 1

图 2

图 3

图 4

表 2

图 5

图 6

表 3

表 4

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 50

1	侯中喜，杨希祥，乔凯，等. 平流层飞艇技术［M］. 北京：科学出版社， 2019.
	HOU Z X， YANG X X， QIAO K， et al. Stratospheric airship technology［M］. Beijing： Science Press， 2019 （in Chinese）.
2	YANG X W， YANG X X， DENG X L. Horizontal trajectory control of stratospheric airships in wind field using Q-learning algorithm［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 106： 106100.
3	ATHAR R U， MATHEWS T E， LAVIGNE J M， et al. Stratospheric C4ISR unmanned station （STRATACUS）［C］∥ AIAA Balloon Systems Conference. Reston： AIAA， 2017.
4	彭桂林，万志强. 中国浮空器遥感遥测应用现状与展望［J］. 地球信息科学学报， 2019， 21（4）： 504-511.
	PENG G L， WAN Z Q. The present situation and prospect of aerostat applied to remote sensing and remote survey in China［J］. Journal of Geo-Information Science， 2019， 21（4）： 504-511 （in Chinese）.
5	Khoury G A. Airship technology ［M］.2nd ed. Cambridge： Cambridge University Press， 2012.
6	杨希祥，朱炳杰，邓小龙，等. Stratobus平流层飞艇项目研究进展与仿真分析［J］. 航空学报， 2021， 42（9）： 224579.
	YANG X X， ZHU B J， DENG X L， et al. Development status and simulation analysis of stratospheric airship Stratobus［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（9）： 224579 （in Chinese）.
7	XU Y M， ZHU W Y， LI J， et al. Improvement of endurance performance for high-altitude solar-powered airships： A review［J］. Acta Astronautica， 2020， 167： 245-259.
8	杨燕初，张航悦，赵荣. 零压式高空气球球形设计与参数敏感性分析［J］. 国防科技大学学报， 2019， 41（1）： 58-64.
	YANG Y C， ZHANG H Y， ZHAO R. Shape design of zero pressure high altitude balloon and sensitivity analysis of key parameters［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2019， 41（1）： 58-64 （in Chinese）.
9	顾逸东. 气球科学观测100年［J］. 现代物理知识， 2020， 32（2）： 3-12， 2.
	GU Y D. Balloon scientific observation for 100 years［J］. Modern Physics， 2020， 32（2）： 3-12， 2 （in Chinese）.
10	VARGAS A， DUBOURG V， RAIZONVILLE P， et al. The CNES 2015 - 2017 balloon program［C］∥ AIAA Balloon Systems Conference. Reston： AIAA， 2017.
11	FAIRBROTHER D A. 2017 NASA balloon program update［C］∥ AIAA Balloon Systems Conference. Reston： AIAA， 2017.
12	RONEY J A. Statistical wind analysis for near-space applications［J］. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics， 2007， 69（13）： 1485-1501.
13	YAJIMA N， IMAMURA T， IZUTSU N， et al. Introduction［M］∥ Scientific ballooning. New York： Springer， 2009： 1-14.
14	VANDERMEULEN I， GUAY M， MCLELLAN P J. Distributed control of high-altitude balloon formation by extremum-seeking control［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2018， 26（3）： 857-873.
15	DU H F， LV M Y， LI J， et al. Station-keeping performance analysis for high altitude balloon with altitude control system［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 92： 644-652.
16	邓小龙，丛伟轩，李魁，等. 风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计［J］. 宇航学报， 2019， 40（7）： 748-757.
	DENG X L， CONG W X， LI K， et al. Trajectory design of a novel stratospheric aerostat based on comprehensive utilization of wind fields［J］. Journal of Astronautics， 2019， 40（7）： 748-757 （in Chinese）.
17	HALL J L， CAMERON J， PAUKEN M， et al. Altitude-controlled light gas balloons for Venus and titan exploration［C］∥ AIAA Aviation 2019 Forum. Reston： AIAA， 2019.
18	邓小龙，杨希祥，麻震宇，等. 基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展［J］. 航空学报， 2019， 40（8）： 022941.
	DENG X L， YANG X X， MA Z Y， et al. Review of key technologies for station-keeping of stratospheric aerostats based on wind field utilization［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（8）： 022941 （in Chinese）.
19	LIN K， ZHENG Z W， WU Z， et al. Path following of a stratospheric satellite by the aid of wind currents［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2019， 233（11）： 3983-4003.
20	VOSS P B， RIDDLE E E， SMITH M S. Altitude control of long-duration balloons［J］. Journal of Aircraft， 2005， 42（2）： 478-482.
21	孙娜，龙飞，周雷，等. 临近空间伞张式飞艇气囊结构原理性研究［J］. 宇航学报， 2012， 33（3）： 285-290.
	SUN N， LONG F， ZHOU L， et al. Envelope structure principle research on a space umbrella-like inflated airship in novel near［J］. Journal of Astronautics， 2012， 33（3）： 285-290 （in Chinese）.
22	VOSS P B， HOLE L R， HELBLING E F， et al. Continuous in⁃situ soundings in the Arctic boundary layer： A new atmospheric measurement technique using controlled meteorological balloons［J］. Journal of Intelligent & Robotic Systems， 2013， 70（1）： 609-617.
23	JIANG Y， LV M Y， ZHU W Y， et al. A method of 3-D region controlling for scientific balloon long-endurance flight in the real wind［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 97： 105618.
24	YODER C D， GEMMER T R， MAZZOLENI A P. Modelling and performance analysis of a tether and sail-based trajectory control system for extra-terrestrial scientific balloon missions［J］. Acta Astronautica， 2019， 160： 527-537.
25	RAMESH S S， MA J L， LIM K M， et al. Numerical evaluation of station-keeping strategies for stratospheric balloons［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 80： 288-300.
26	JIANG Y， LV M Y， LI J. Station-keeping control design of double balloon system based on horizontal region constraints［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 100： 105792.
27	SAITO Y， AKITA D， FUKE H， et al. Properties of tandem balloons connected by extendable suspension wires［J］. Advances in Space Research， 2010， 45（4）： 482-489.
28	STERN S A， POYNTER J， MACCALLUM T. World view stratospheric ballooning capabilities， research， and commercial applications［C］∥ 2017 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2017.
29	BELLEMARE M G， CANDIDO S， CASTRO P S， et al. Autonomous navigation of stratospheric balloons using reinforcement learning［J］. Nature， 2020， 588（7836）： 77-82.
30	SCHOEBERL M R， JENSEN E， PODGLAJEN A， et al. Gravity wave spectra in the lower stratosphere diagnosed from project loon balloon trajectories［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres： JGR， 2017， 122（16）： 8517-8524.
31	FRIEDRICH L S， MCDONALD A J， BODEKER G E， et al. A comparison of Loon balloon observations and stratospheric reanalysis products［J］. Atmospheric Chemistry and Physics， 2017， 17（2）： 855-866.
32	VON EHRENFRIED M. Stratospheric balloons： Science and commerce at the edge of space［M］. Cham： Springer International Publishing， 2021.
33	李智斌，黄宛宁，张钊，等. 2020年临近空间科技热点回眸［J］. 科技导报， 2021， 39（1）： 54-68.
	LI Z B， HUANG W N， ZHANG Z， et al. Summary of the hot spots of near space science and technology in 2020［J］. Science & Technology Review， 2021， 39（1）： 54-68 （in Chinese）.
34	TRAN N K， HE X， ZLOTNIK D E， et al. Attitude sensing and control of a stratospheric ballon platform［C］∥ AIAA Balloon Systems （BAL） Conference. Reston： AIAA， 2013.
35	CANDIDO S， SINGH A， DELLE MONACHE L. Improving wind forecasts in the lower stratosphere by distilling an analog ensemble into a deep neural network［J］. Geophysical Research Letters， 2020， 47（15）： e2020GL089098.
36	张小达，张鹏，李小龙. 《标准大气与参考大气模型应用指南》介绍［J］. 航天标准化， 2010（3）： 8-11.
	ZHANG X D， ZHANG P， LI X L. Introduction of application guide of standard atmosphere and reference atmosphere model［J］. Aerospace Standardization， 2010（3）： 8-11 （in Chinese）.
37	祝榕辰，王生，杨燕初，等. 超压气球平飞阶段昼夜温度特性分析［J］. 计算机仿真， 2020， 37（11）： 54-59.
	ZHU R C， WANG S， YANG Y C， et al. Analysis of day-night thermal properties of super-pressure balloon during cruising flight［J］. Computer Simulation， 2020， 37（11）： 54-59 （in Chinese）.
38	DAI Q M， CAO L， ZHANG G G， et al. Thermal performance analysis of solar array for solar powered stratospheric airship［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 171： 115077.
39	ZHU W Y， XU Y M， DU H F， et al. Thermal performance of high-altitude solar powered scientific balloon［J］. Renewable Energy， 2019， 135： 1078-1096.
40	NOLL J. Determination of lift gas leakage rate for a stratospheric airship hull［C］∥ 11th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations （ATIO） Conference. Reston： AIAA， 2011.
41	YAO X F， LEI Y M， XIONG C， et al. Mechanics analysis on helium leakage of flexible composites［J］. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2012， 19（8）： 603-612.
42	ZHU W Y， XU Y M， LI J， et al. Performance analysis of rotatable energy system of high-altitude airships in real wind field［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 98： 105689.
43	吴健发，王宏伦，黄宇. 大跨时空任务背景下的太阳能无人机任务规划技术研究进展［J］. 航空学报， 2020， 41（3）： 623414.
	WU J F， WANG H L， HUANG Y. Research development of solar powered UAV mission planning technology in large-scale time and space spans［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（3）： 623414 （in Chinese）.
44	高显忠，邓小龙，王玉杰，等. 临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望［J/OL］. 航空学报，（2022-06-13）［2022-07-01］. doi： 10.7527/S1000-6893.2022.27265 .
	GAO X Z， DENG X L， WANG Y J， et al. Research on general planning method for energy optimal flight path of solar-powered aircraft in near space［J/OL］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，（2022-06-13）［2022-07-01］. doi： 10.7527/S1000-6893.2022.27265 （in Chinese）.
45	刘福才，赵阳，杨亦强，等. 高空气球太阳能电池标定用太阳跟踪控制技术［J］. 航空学报， 2014， 35（11）： 3137-3144.
	LIU F C， ZHAO Y， YANG Y Q， et al. Sun tracking technology for balloon flight solar cell calibration［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（11）： 3137-3144 （in Chinese）.
46	徐国宁，唐宇，李兆杰，等. 太阳电池高空气球标定关键技术研究［J］. 太阳能学报， 2021， 42（10）： 94-104.
	XU G N， TANG Y， LI Z J， et al. Research on key technology of solar cell high altitude flight balloon calibration［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2021， 42（10）： 94-104 （in Chinese）.
47	WAKEFIELD D， BOWN A. Non-linear analysis of the NASA super pressure balloons： Some detailed investigations of recent Antarctic flight balloons［C］∥ 11th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations （ATIO） Conference. Reston： AIAA， 2011.
48	刘东旭，樊彦斌，马云鹏，等. 氦气渗透对高空长航时浮空器驻空能力影响［J］. 宇航学报， 2010， 31（11）： 2477-2482.
	LIU D X， FAN Y B， MA Y P， et al. Effect of helium permeability on working endurance high altitude long duration LTA vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2010， 31（11）： 2477-2482 （in Chinese）.
49	刘乾石，徐国宁，李兆杰，等. 长航时高空科学气球能量平衡分析与优化［J］. 太阳能学报， 2021， 42（5）： 276-285.
	LIU Q S， XU G N， LI Z J， et al. Energy balance analysis and optimization of long-tern high altitude scientific balloon［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2021， 42（5）： 276-285 （in Chinese）.
50	朱炳杰，杨希祥，宗建安，等. 分布式混合电推进飞行器技术［J］. 航空学报， 2022， 43（7）： 025556.
	ZHU B J， YANG X X， ZONG J A， et al. Review of distributed hybrid electric propulsion aircraft technology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（7）： 025556 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

气球系列	Lark	Merlin	Ibis	Nighthawk	Osprey	Osprey Large	Plover	Quail
研制年份	<2015	<2015	<2016	2015—2017	2016—2017	2017—2018	2017—2021	2019—2021
吊舱类型	Opt. 6	Opt. 6	Opt. 6	Opt. 6&V1.0	V1.2	V1.3	V1.3&V1.4	V1.6
飞行次数/次	40+	54+	346	440	235	159	603	42
体积/m³	750	932	1 169	1 273	1 492	1 544	1 840	2 760
直径/m	13	14	15	15.2	15.6	16	17	19.7
副气囊构型	底置	底置	底置	内核/侧置	侧置	侧置	外壳	外壳
高度调控范围/km	2	2	2	2，3	2，4	2，4	4	4
氦气囊占比/%	95	95	95	95，75	95，75	95，75	95	95
平均驻空天数/天	13	41	41	53	61	85	134	240
氦气质量/kg	12.20	15.72	18.56	18.56	21.80	22.88	26.36	33.9
系统质量/kg	67	91	102	98	109	112	145	192

吊舱类型	V1.3	V1.4	V1.6
太阳电池	3.3 m²	5.0 m²	5.0 m²
太阳电池	峰值900 W	峰值1 350 W	峰值1 350 W
储能电池	8~10 个电池包	11~12 个电池包	12 个电池包
储能电池	2.4~3.0 kWh	3.3~3.6 kWh	3.6 kWh

数据源	应用	气象要素	分辨率	更新/时长
ECMWF HRES	主要预报	风速、风向、温度、红外、闪电、热带气旋	0.5°×3 h×370 Pa（6 h）	12 h/10天
NOAA GFS	次要预报	风速、风向、温度、红外、雷暴	0.5°×3 h×2 500 Pa	6 h/16天
NCAR/BCI	灾害天气临近预报	灾害天气、云顶高	0.06°±3 h	15 min
Loon平台观测	预报误差校正	风速、风向	100 m×50 Pa	1 min

高度/km	密度/（kg⋅m^-3）	温度/K	气压/Pa
20	0.088	216.65	5 474
16	0.166 5	216.65	10 352

[1]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[2]	杨卫平. 新一代飞行器导航制导与控制技术发展趋势[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529720-529720.
[3]	高显忠, 邓小龙, 王玉杰, 郭正, 侯中喜. 临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 27265-027265.
[4]	李俊红, 靳旭红, 刘春风, 苗文博, 程晓丽. 临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127072-127072.
[5]	张大鹏, 呼延宗泊, 李恒年. 基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526510-526510.
[6]	崔玉红, 徐艺哲, 吕凡熹, 赵飞, 张宇佳, 孙佳濛, 左光. 临近空间高超声速飞行器武器投放影响因素[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 128539-128539.
[7]	史智广, 杨玉洁, 左宗玉. 多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 228451-228451.
[8]	孙佳濛, 左光, 徐艺哲, 杜若凡, 崔玉红. 临近空间高超声速飞行器武器投放方案数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127808-127808.
[9]	陈文雪, 高长生, 荆武兴. 拦截机动目标的信赖域策略优化制导算法[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 327596-327596.
[10]	林鹏, 庄福建, 曲林锋, 许阳阳, 苏亚东. 高超声速飞机尾喷管设计-制造与验证技术发展综述[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526160-526160.
[11]	薄钧天, 王国宏, 于洪波, 张翔宇. 临近空间伴有尾流高超声速目标检测定位算法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325255-325255.
[12]	薄钧天, 王国宏, 于洪波, 张翔宇. 临近空间高超声速多目标检测前跟踪算法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325299-325299.
[13]	李冠雄, 王靖宇, 王运涛. 低压储能的升浮一体飞行器总体参数研究[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 224438-224438.
[14]	王大轶, 侯博文, 王炯琦, 葛东明, 李茂登, 徐超, 周海银. 航天器自主导航状态估计方法研究综述[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524310-524310.
[15]	周聪, 闫晓东, 唐硕, 吕石. 大气层内模型预测静态规划拦截中制导[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524912-524912.

智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

Simulation research and key technologies analysis of intelligent stratospheric aerostat Loon

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 50

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价