平流层浮空器飞行试验综述

摘 要：平流层浮空器飞行试验要求在拟定空域范围内开展，通过寻找平流层准零风层来实现区域驻空飞行。本文利用探空仪获取了试验地区风速、风向、压力、温度要素随高度分布规律，同时进行该地区平流层准零风层判断分析，并结合实际地域进行飞行轨迹和落点预测。

关键词：飞行轨迹预测  ;气象探测 ; 浮空器 ; 平流层

1  研究内容及方法

1.1 气象探测

本文采用探空系统开展基础气象数据采集，整个探空系统包括地面系统和探空仪，地面系统包括终端、接收机、基测箱和天线。其中终端直接运行北斗探空软件，用于控制接收机和基测箱，采集数据并保存;接收机用于接收并解调探空仪无线电信号;基测箱用于更改探空仪的发射频率以及进行地面基测;天线分为地面北斗天线和探空仪接收天线，用于收发信号;探空仪与探空气球连接，用于气象数据的采集和传输。

1.2 飞行轨迹仿真

以该地区风场环境为输入对拟定的平流层浮空器开展飞行轨迹仿真及落点位置预判。通过程序编写平流层浮空器飞行轨迹预测软件GUI界面，主要分为数据处理与显示模块、参数配置计算模块及飞行轨迹仿真3个模块。数据处理与显示模块将原始探测的气象数据文件转化为气象特征数据，按照给定的数据文件格式实现气象数据预处理与显示。计算软件可以选择指定格式的气象数据文件，通过配置设定实际地面高度、实际分析高度范围、数据密度等参数，输出风速、风向、温度、压力等气象特征数据。

仿真轨迹计算模块通过参数配置并结合飞行控制程序、动力学模型、热力学模型模拟得到预测飞行轨迹曲线。根据计算的浮空器配置参数，开展热力学模块对流换热模型和辐射换热模型部分计算，计算得到热传导和热辐射过程对浮空器的浮力和温度的影响。结合动力学模型，实现飞行动力学和热力学耦合计算，数值模拟得到飞行轨迹，完成浮空器飞行轨迹仿真，使用可视化图表得到飞行轨迹曲线。根据当前飞行状态并判断下降时间所在位置，结合当前气象数据进行下降段轨迹仿真，通过下降过程中的水平方向位移，模拟得到飞行落点。

2  结果

2.1 气象分布规律

利用3个时间段内的采集数据，初步判断切变风高度、弱风层高度等准零风层定义要素，同步分析风速、风向、压力、温度等随高度变化规律。

地面到急风区风速逐渐增大，急风区到平流层风速逐渐减小，平流层风速趋于稳定。急风区风速可达50m/s，19～22km风速基本不大于10m/s，存在风速较小的弱风层，平流层最小风出现在19.5～20.2km高度，风速不大于1.00m/s。

坐标所在点的角度表示风向角，如坐标点落在第一象限，表示风向为东北。坐标所在点距离原点的位置表示当前风向所在海拔高度，原点处为海平面（海拔为0），最大直径圆上为25km高度。地面至18km高度，风向基本为西偏北风，18～22km高度存在风向变化超过180°的变化区间，即存在典型切变风。不同时间段地面至18km高度风向波动不大，地面和急风区风向相对较为稳定。

地面压力约为650hpa，压力随着高度增加逐渐减小。各高度分层范围内，不同时间段压力数据无明显波动，相对较为稳定。平流层19～22km高度压力逐渐降低，压力由65.40hpa降低至40.00hpa。

各高度分层范围内，温度较为稳定，急风区由于风速差异出现了不同时间点略有差异的现象，最低温度在17～19km处，最低温度-71℃。平流层19～22km高度温度随高度增大逐渐升高，温度由-70℃上升至-59℃。

2.2 准零风层分析

依据该地区风速风向要素，结合合成风速与风速分量分布规律，进行该地区平流层准零风层分析。采样1时间段内，合成风速地面到急流区逐渐增大，急流区到18km逐渐减小，18～22km略有波动，基本不大于10m/s。南北风带地面到17km都是北风，地面到9km高度风速逐渐增大，9～17km风速逐渐减小至零，17～22km有多段出现南北风转变，且风速较小。东西风带地面到18km基本为东风，地面到12km高度风速逐渐增大至与合成风速接近，12～18km风速逐渐减小到零。19～22km分层高度内，19.40km高度以下为西风，19.40km高度以上一定高度分层区间变为东风，同时南北向风速很小且不大于5m/s，出现了典型的切变风特征，时间段1内19.40km为该地区的准零风层高度。采样2时间段内、采样3时间段内，与采样1风场分布规律基本一致，时间段2内19.35km为该地区的准零风层高度，时间段3内19.25km为该地区的准零风层高度。

2.3 飞行轨迹预测

在仿真计算软件中通过探测的气象数据对平流层浮空器进行飞行轨迹仿真，仿真计算前在界面处指定仿真总时间和控制下降时间，进行仿真时间可视化调整。以仿真高度随时间的变化和仿真水平位移两个二维坐标图表示仿真结果，其中仿真水平位移坐标图纵轴代表南北方向位移，横轴代表东西方向位移。通过仿真结果可知，3个样本仿真飞行轨迹趋势一致，主要分为上升阶段、驻空阶段及下降阶段，轨迹的两个拐点分别为驻空的起点和终点。

3  结论

本文采用气象气球携带探空仪来探测某地区的大气参数垂直分布情况，并开展了平流层准零风层判断分析，基于风场环境对平流层浮空器进行飞行轨迹仿真，主要得出以下结论。

（1）该地区20km高度附近存在风速不大于5m/s的弱风层，18～22km存在风向变化超过180°的切变风，采样区间内最低温度-71℃，最低压力40hpa。

（2）该地区合成风、东西风、南北风分布规律基本一致，不同分层高度略有差异，风速风向气象要素较为稳定。19～20km高度区间存在平流层准零风层，整体而言，在采样区间时间段内可以满足地面放飞和短时驻空需求。

（3）基于当地风场环境，仿真预测平流层浮空器飞行轨迹基本一致，且不超过拟定空域，落点在安全飞行范围内的开阔地点。

参考文献：

[1] 王海舰.临近空间飞行器探测方法探讨[J].数字通信世界，2019.11

[2] 杜毅洁.高超声速飞行大气数据测量方法研究[J].战术导弹技术，2019.1

[3] 邓小龙.风场综合利用的新型平流层浮空器轨跡设计[J].宇航学报，2019.7

作者简介

冯朋朋（1986.5-）安徽宿州市萧县人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究