平流層浮空器飛行試驗綜述

摘 要：平流層浮空器飛行試驗要求在擬定空域范圍內(nèi)開展，通過尋找平流層準(zhǔn)零風(fēng)層來實現(xiàn)區(qū)域駐空飛行。本文利用探空儀獲取了試驗地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、溫度要素隨高度分布規(guī)律，同時進行該地區(qū)平流層準(zhǔn)零風(fēng)層判斷分析，并結(jié)合實際地域進行飛行軌跡和落點預(yù)測。

關(guān)鍵詞：飛行軌跡預(yù)測 ?;氣象探測 ; 浮空器 ; 平流層

1 ?研究內(nèi)容及方法

1.1 氣象探測

本文采用探空系統(tǒng)開展基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)采集，整個探空系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和探空儀，地面系統(tǒng)包括終端、接收機、基測箱和天線。其中終端直接運行北斗探空軟件，用于控制接收機和基測箱，采集數(shù)據(jù)并保存;接收機用于接收并解調(diào)探空儀無線電信號;基測箱用于更改探空儀的發(fā)射頻率以及進行地面基測;天線分為地面北斗天線和探空儀接收天線，用于收發(fā)信號;探空儀與探空氣球連接，用于氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1.2 飛行軌跡仿真

以該地區(qū)風(fēng)場環(huán)境為輸入對擬定的平流層浮空器開展飛行軌跡仿真及落點位置預(yù)判。通過程序編寫平流層浮空器飛行軌跡預(yù)測軟件GUI界面，主要分為數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、參數(shù)配置計算模塊及飛行軌跡仿真3個模塊。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊將原始探測的氣象數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為氣象特征數(shù)據(jù)，按照給定的數(shù)據(jù)文件格式實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理與顯示。計算軟件可以選擇指定格式的氣象數(shù)據(jù)文件，通過配置設(shè)定實際地面高度、實際分析高度范圍、數(shù)據(jù)密度等參數(shù)，輸出風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓力等氣象特征數(shù)據(jù)。

仿真軌跡計算模塊通過參數(shù)配置并結(jié)合飛行控制程序、動力學(xué)模型、熱力學(xué)模型模擬得到預(yù)測飛行軌跡曲線。根據(jù)計算的浮空器配置參數(shù)，開展熱力學(xué)模塊對流換熱模型和輻射換熱模型部分計算，計算得到熱傳導(dǎo)和熱輻射過程對浮空器的浮力和溫度的影響。結(jié)合動力學(xué)模型，實現(xiàn)飛行動力學(xué)和熱力學(xué)耦合計算，數(shù)值模擬得到飛行軌跡，完成浮空器飛行軌跡仿真，使用可視化圖表得到飛行軌跡曲線。根據(jù)當(dāng)前飛行狀態(tài)并判斷下降時間所在位置，結(jié)合當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)進行下降段軌跡仿真，通過下降過程中的水平方向位移，模擬得到飛行落點。

2 ?結(jié)果

2.1 氣象分布規(guī)律

利用3個時間段內(nèi)的采集數(shù)據(jù)，初步判斷切變風(fēng)高度、弱風(fēng)層高度等準(zhǔn)零風(fēng)層定義要素，同步分析風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、溫度等隨高度變化規(guī)律。

地面到急風(fēng)區(qū)風(fēng)速逐漸增大，急風(fēng)區(qū)到平流層風(fēng)速逐漸減小，平流層風(fēng)速趨于穩(wěn)定。急風(fēng)區(qū)風(fēng)速可達50m/s，19～22km風(fēng)速基本不大于10m/s，存在風(fēng)速較小的弱風(fēng)層，平流層最小風(fēng)出現(xiàn)在19.5～20.2km高度，風(fēng)速不大于1.00m/s。

坐標(biāo)所在點的角度表示風(fēng)向角，如坐標(biāo)點落在第一象限，表示風(fēng)向為東北。坐標(biāo)所在點距離原點的位置表示當(dāng)前風(fēng)向所在海拔高度，原點處為海平面（海拔為0），最大直徑圓上為25km高度。地面至18km高度，風(fēng)向基本為西偏北風(fēng)，18～22km高度存在風(fēng)向變化超過180°的變化區(qū)間，即存在典型切變風(fēng)。不同時間段地面至18km高度風(fēng)向波動不大，地面和急風(fēng)區(qū)風(fēng)向相對較為穩(wěn)定。

地面壓力約為650hpa，壓力隨著高度增加逐漸減小。各高度分層范圍內(nèi)，不同時間段壓力數(shù)據(jù)無明顯波動，相對較為穩(wěn)定。平流層19～22km高度壓力逐漸降低，壓力由65.40hpa降低至40.00hpa。

各高度分層范圍內(nèi)，溫度較為穩(wěn)定，急風(fēng)區(qū)由于風(fēng)速差異出現(xiàn)了不同時間點略有差異的現(xiàn)象，最低溫度在17～19km處，最低溫度-71℃。平流層19～22km高度溫度隨高度增大逐漸升高，溫度由-70℃上升至-59℃。

2.2 準(zhǔn)零風(fēng)層分析

依據(jù)該地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向要素，結(jié)合合成風(fēng)速與風(fēng)速分量分布規(guī)律，進行該地區(qū)平流層準(zhǔn)零風(fēng)層分析。采樣1時間段內(nèi)，合成風(fēng)速地面到急流區(qū)逐漸增大，急流區(qū)到18km逐漸減小，18～22km略有波動，基本不大于10m/s。南北風(fēng)帶地面到17km都是北風(fēng)，地面到9km高度風(fēng)速逐漸增大，9～17km風(fēng)速逐漸減小至零，17～22km有多段出現(xiàn)南北風(fēng)轉(zhuǎn)變，且風(fēng)速較小。東西風(fēng)帶地面到18km基本為東風(fēng)，地面到12km高度風(fēng)速逐漸增大至與合成風(fēng)速接近，12～18km風(fēng)速逐漸減小到零。19～22km分層高度內(nèi)，19.40km高度以下為西風(fēng)，19.40km高度以上一定高度分層區(qū)間變?yōu)闁|風(fēng)，同時南北向風(fēng)速很小且不大于5m/s，出現(xiàn)了典型的切變風(fēng)特征，時間段1內(nèi)19.40km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度。采樣2時間段內(nèi)、采樣3時間段內(nèi)，與采樣1風(fēng)場分布規(guī)律基本一致，時間段2內(nèi)19.35km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度，時間段3內(nèi)19.25km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度。

2.3 飛行軌跡預(yù)測

在仿真計算軟件中通過探測的氣象數(shù)據(jù)對平流層浮空器進行飛行軌跡仿真，仿真計算前在界面處指定仿真總時間和控制下降時間，進行仿真時間可視化調(diào)整。以仿真高度隨時間的變化和仿真水平位移兩個二維坐標(biāo)圖表示仿真結(jié)果，其中仿真水平位移坐標(biāo)圖縱軸代表南北方向位移，橫軸代表東西方向位移。通過仿真結(jié)果可知，3個樣本仿真飛行軌跡趨勢一致，主要分為上升階段、駐空階段及下降階段，軌跡的兩個拐點分別為駐空的起點和終點。

3 ?結(jié)論

本文采用氣象氣球攜帶探空儀來探測某地區(qū)的大氣參數(shù)垂直分布情況，并開展了平流層準(zhǔn)零風(fēng)層判斷分析，基于風(fēng)場環(huán)境對平流層浮空器進行飛行軌跡仿真，主要得出以下結(jié)論。

（1）該地區(qū)20km高度附近存在風(fēng)速不大于5m/s的弱風(fēng)層，18～22km存在風(fēng)向變化超過180°的切變風(fēng)，采樣區(qū)間內(nèi)最低溫度-71℃，最低壓力40hpa。

（2）該地區(qū)合成風(fēng)、東西風(fēng)、南北風(fēng)分布規(guī)律基本一致，不同分層高度略有差異，風(fēng)速風(fēng)向氣象要素較為穩(wěn)定。19～20km高度區(qū)間存在平流層準(zhǔn)零風(fēng)層，整體而言，在采樣區(qū)間時間段內(nèi)可以滿足地面放飛和短時駐空需求。

（3）基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)場環(huán)境，仿真預(yù)測平流層浮空器飛行軌跡基本一致，且不超過擬定空域，落點在安全飛行范圍內(nèi)的開闊地點。

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作者簡介

馮朋朋（1986.5-）安徽宿州市蕭縣人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究