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

Abstract

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

CLC Number:

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.

Figures/Tables 16

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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

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Simulation research and key technologies analysis of intelligent stratospheric aerostat Loon

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