论文摘要：平流层飞艇飞行稳定性研究

    平流层飞艇依靠浮力作为主要升力来源，属于一种轻于空气的飞行器，具备成本较低、可重复利用、以太阳能为主要能量来源、载荷量大、可长时间驻空飞行等特点，在空间探测、通信中继、区域导航、侦查监测等方面具有广泛的军用和民用前景。为了更好的完成平流层飞艇长时驻空的飞行任务，具备稳定的位置和姿态保持能力至关重要，因此平流层飞艇飞行稳定性分析和增稳控制设计是其研制和应用过程中的关键技术之一。同时由于其体积大、飞行速度低、推力相对不足等复杂性特点，这也是一项具有挑战性的任务。本文在对平流层飞艇建立数学模型的基础上，以解决飞行稳定性的分析与改善为目的，为目标飞行器提供总体设计阶段系统可行的飞行稳定性评估和设计方法、工程应用阶段保持长时稳定工作的解决方案。主要贡献包括：
    1．建立了平流层飞艇六自由度非线性动力学模型，包含了大气环境、高空风场、飞艇气动力估算方法、附加惯性信息、以浮心作为中心点来描述动力学方程等内容。该模型能够准确反映飞艇的运动特性，为以数学模型为基础的飞行稳定性分析和增稳设计提供了支撑。
    2．利用小扰动假设和方法对平流层飞艇数学模型进行了线性化和解耦，在飞艇状态变量处于“小扰动”范围内时，简化后的线性化模型具备一定的准确性和精度。基于上述线性化模型，对平流层飞艇的纵向和横航向分别进行了静稳定性和动稳定性分析。静稳定性方面，飞行速度和尾翼以及舵偏角的大小为主要影响因素，针对不同的飞行状态可以通过改变舵偏角大小的方式改善稳定性。动稳定性方面，给出了纵向、滚转方向以及偏航方向的主要运动模态。和常规固定翼飞行器相比，飞艇由于存在重心和浮心高度差带来的“钟摆效应”，其纵向和滚转方向通常是稳定的，而偏航方向的稳定性则要
根据实际情况单独判定。
    3．以Solar Hale 飞艇为具体实例，展示了通过改变平流层飞艇尾翼外形参数实现对飞艇稳定性和操纵性的改善过程。研究结果包含了尾翼外形参数改变前后的稳定性和操纵性分析对比，分析结果表明，对平流层飞艇飞行稳定性的分析能够给予尾翼参数设计有意义的指导，对于给定的稳定性和操纵性设计要求，通过改变尾翼参数的方法是满足设计要求的重要途径。
    4．详细介绍了基于反馈控制的线性系统特征结构配置方法，该方法在经典的极点配置方法的基础上，加入了对于特征向量的全部元素或部分元素的控制和重新配置。经过特征结构重新配置后的系统不仅具备更高的稳定性，还能实现对于不同运动模态之间耦合程度的控制。结合平流层飞艇的数值算例表明，设计的状态反馈控制器有效提高了平流层飞艇各运动模态的稳定性。
    5．对平流层飞艇非线性控制方法进行了研究，并结合基于Lyapunov 稳定性理论的反步控制方法，加入控制执行机构饱和限制因素，设计了针对平流层飞艇驻留状态的增稳控制系统。通过对不同工况下的仿真结果表明，所设计的控制器对一定风速范围内的定常风和大气紊流均具有一定的鲁棒性，处于欠驱动状态的平流层飞艇在该控制系统的作用下同样能够消除初始扰动从而保持驻留的稳定性。
    总之，论文研究以寻求适合平流层飞艇飞行稳定性的分析方法以及设计相应控制系统以增强稳定性为目的，从线性和非线性两种层面分别给出了相应的稳定性分析和增稳控制设计方法，本文的研究成果在平流层飞艇的总体设计以及工程应用方面均具有一定的参考价值。

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