本期一起来看看2022年提出的一种变体结构的飞艇论文吧，这是一篇不错的文章。
用于持续平流层驻空的变体飞艇的概念设计
David G. Watters, Thomas A. Almeida和Matthew G. Watters
Astraloft LLC，加利福尼亚州桑尼维尔，94087，美国
Donald C. Bingaman, Christian V. Rice, James Mace和Mark Holly
VPE 航空咨询公司，密苏里州圣路易斯，63021，美国
摘要：StratoSats是能够在平流层进行定点驻留作业的变形态飞艇。它们通过调节浮力以进入风速较慢或风向相反的风层，并利用太阳能电力推进来抵消净风矢量，从而实现持续作业。由于飞艇的迎风面积随高度变化，该平台能够在功率限制下实现几乎与平流层高度无关的前飞速度。因此，飞艇组网可以提供大陆规模的经济可靠的持续服务。基于对平流层风的分析，概念设计提出了一个可扩展的解决方案，该方案针对纬度和季节进行了优化。模拟显示了单个飞艇和覆盖 3600 km × 3600 km区域的飞艇组网的定点驻留性能。应用领域包括长期平流层监测研究、地球和天空观测以及电信。
符号说明：
CD = 阻力系数 n = 物质的量
P = 压力 P0 = 功率
R = 气体常数 r = 半径
Re = 雷诺数 S = 抗拉强度
T = 温度 t = 厚度
u = 速度 V = 体积
η = 效率 ρ = 密度
一、平流层风场
平流层持续作业得益于对高空风的详细了解。操作方法因平台类型、平台数量和任务目标而异，但气球、飞艇和太阳能固定翼飞机的共同点是对风的了解和掌握。
为了了解风，世界各国一直在使用带有无线电遥测通信设备（称为无线电探空仪）的气象气球来获取风数据。全球目前大约有 1300 个发放场。无线电探空仪在上升到平流层时，以高达 30-35 km的高度爆裂，采样风速随高度的变化。这些携带环境传感仪器的乳胶气球每天从全球数百个站点发放两次。它们为用于通用航空、天气预报以及环境和气候模型的气象模型提供关键传感器数据。美国的许多无线电探空仪，收集的风速数据具有精细的高度分辨率（小于 1 km），揭示了速度剖面的详细结构，超过了大多数气象模型的垂直分辨率。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）通过国家环境信息中心（NCEI）维护综合全球无线电探空档案（IGRA），其中包含从 1905 年至今的全球无线电探空数据[1]。
图 1 显示了 2019 年在新墨西哥州圣特蕾莎的一个无线电探空仪示例。该图有助于理解定点驻留策略，并提供平流层平台之间的早期比较。为了保持定点，平台不必始终位于覆盖区域的中心。由于风速变化、昼夜速度不同或其他操作，平台位置可能会有所变化，但保持定点的平台通过维持对选定区域的传感器或通信覆盖来实现。
图 1 2019 年新墨西哥州圣特蕾莎的单个无线电探空仪样本，显示风速（红色）以m/s和风向（蓝色）以度 E90 随高度（km）的变化
有几种不同类型的平台可以利用或充分利用风速随高度变化的特点。按控制能力升序排列如下：
（1）阀–压舱气球——作为一种无推进平台，具有资源受限的高度控制，可在 25 km的高度运行，利用最小风速尽可能长时间地保持定点。
（2）带有压舱气球的气球——作为一种无推进平台，具有高度控制功能，可在 22 至 23 km之间变化高度，以利用风向相反的气流，从而通过“保持在区域内”来维持区域监护。
（3）传统飞艇——作为一种具有固定运行高度 18 km的推进平台，需要15 m/s的推进力来克服该高度的盛行风。
（4）StratoSats——作为一种具有高度控制的推进平台，仅需 7.5 m/s的推进力，即可在 17-23 km之间的选定高度运行，补偿净风矢量，并以不到传统飞艇1/8 的功率保持定点。
所有这些平台的性能都取决于风的配合程度。风的特性因季节和地区而异。因此，进一步查看长期的无线电探空测量数据可以为首选的操作策略提供更多见解。
图 2 汇总了一年内的无线电探空仪数据。图 2a 捕捉了 2019年马绍尔群岛上空的风。图 2b 显示了 2019年阿联酋阿布扎比的风。尽管每年计划进行 730 次发放，但档案记录的只是从 1 月到 12 月成功发放的较小数量。颜色编码的风速从 0-50 m/s不等。在 15-25 km的操作高度层，马绍尔群岛的风速季节性变化有限，而阿布扎比的风速季节性变化显著。在马绍尔群岛，一个具有有限推进力的平台可以全年在约 17 km的高度运行。在阿布扎比，平台应在冬季和秋季在较高高度运行，在春季和夏季在较低高度运行。
马绍尔群岛上空平流层中近乎垂直的斜纹图案，如图 2a 所示，表明了潮汐强迫的近惯性内波的存在。这些逆时针（顺时针）旋转的向上（向下）传播的波在风场中引入了干涉图案，在平流层高度产生的风速比平均风速高 10 m/s和低 10 m/s [2]。波的周期从赤道附近的几天到极地的 12 小时不等，与科氏频率（纬度的正弦值）成反比。能够改变高度以“驾驭”这些内波的平台可以以比缺乏这种认识的平台更低的推进力（因此更低的功率）保持定点。
图 2 一年内每天两次的无线电探空仪 2019 年风速测量数据的汇总：a）马绍尔群岛，b）阿布扎比。虚线水平线标记 17 和 23 km的高度。
对跨越多年的无线电探空档案的检查为平台设计权衡提供了统计支持。图 3 估算了波多黎各和缅因州的定点驻留概率与平台速度和高度的关系。分析基于 2002-2018 年归档的 16 年无线电探空数据。平台设计者和操作者可以利用这些图表来评估飞得更高与更快的优劣，以实现操作目标。分析假设对风有充分了解，使操作者能够最大化利用净风矢量随高度的变化，以持续停留在感兴趣的位置。
（1）波多黎各：仅具有适度推进力（小于 5 m/s）和适度高度访问（17-20 km）的平台可以实现大于 95% 的定点驻留概率。推进力相比无推进平台提高了平台可用性，但与需要 16 m/s推进力才能实现相同定点驻留性能的固定高度平台相比，平台成本更低。
（2）缅因州：缅因州的冬季风速高于低纬度地区，因此需要更高推进速度的平台才能实现高概率定点驻留。例如，一个在 18 km高度运行的飞艇需要 22 m/s的推进力才能实现 80% 的定点驻留概率。一个具有 17-20 km高度的无推进气球只能实现 32% 的定点驻概率留。一个具有 17-20 km高度能力的 StratoSat 仅需 10 m/s的推进力就能实现 80% 的定点驻留概率，与传统飞艇相比节省了 10.6 倍的功率。具有 22 m/s推进力的 StratoSat 的定点驻留性能为 93%。
图 3 2002-2018 年定点驻留概率与平台速度和高度访问的关系：a）波多黎各圣胡安，b）缅因州卡里布：青色（18-18 km），红色（17-20 km），绿色（15-26 km），蓝色（14-30 km）。
回到新墨西哥州圣特蕾莎的原始案例，图 4 显示了完全可操作的StratoSats（水平和垂直控制）与仅具有垂直控制（气球）或水平控制（飞艇）的平台的优势。例如，在 17-23 km之间运行的 StratoSats 在保持定点的概率上达到 95%，其平均速度和功率分别为在 18 km固定高度运行的传统飞艇的 1/3 和 1/30。
定点驻留概率是平台可用性的主要指标。平台设计者需要将可用性纳入设计权衡和成本模型。表 1 显示了可用性的年度影响。需要高可用性的应用（如电信）可以依赖高性能平台或由低性能平台组成的网，浮空器组网可以替换那些被风吹离位置的浮空器。对偶尔不可用性可以容忍的应用（如监视、测绘、数据中继和环境监测）可以利用低成本平台和网络来满足操作任务需求。
图 4 利用新墨西哥州圣特蕾莎收集的无线电探空仪风矢量测量数据，比较不同平台的定点驻留概率与高度控制范围和前飞速度的关系。结果基于 2002-2018 年的 16 年归档数据的平均值。
表 1 定点驻留概率和平台可用性
二、变体飞艇概念设计
为了改变高度，StratoSats 使用机械压缩来调节体积，同时保持空气动力学形状。沿结构中心轴线布置的一系列绞盘通过压缩结构来容纳六个径向对称的叶瓣或花瓣，从而实现这一动作。图 5 展示了一个 6 叶瓣StratoSat 的正面、侧面和透视图，显示了与 2.6:1 体积变化一致的完全压缩和展开状态，这使得能够在 17 至 23 km之间进行高度机动。这艘 80 米长的飞艇在最大高度时的长细比为 4:1，在最小高度时的长细比为 5.5:1。
图 5 StratoSat 的正面、侧面和透视图，显示了与在 17-23 km之间进行高度控制操作一致的完全展开（顶部）和压缩（底部）状态。该飞艇顶部装有太阳能电池板，尾部具有稳定作用，六个对称安装的螺旋桨提供矢量推力以实现前飞。螺旋桨可以倾斜以协助高度变化操作。
StratoSat（图 6）由低阻力结构组成，尾部具有稳定作用，六个恒定螺距的 Eppler 空气动力学螺旋桨提供矢量推力。太阳能电池板贴合安装在气囊顶部，结构可以滚动以跟踪太阳的高度角。一个重力稳定的任务载荷和风廓线仪安装在平台的鼻部。为了最小化与电池相关的质量，平台在白天以较高速度巡航，在夜间以较低速度巡航。在一个例子中，平台通过在白天以 25 m/s的速度运行，在夜间以 15 m/s的速度运行，假设白天 12 小时，从而实现了 20 m/s的平均速度。
电池的布置使得平台的重心低于浮力中心。这提供了横滚稳定性。平台还携带航空电子设备套件，包括飞行控制计算机、卫星和视距通信、GPS 和惯性位置导航及时间参考、健康监测传感器以及飞行安全设备。飞行计算机实现了自主高度控制、定点驻留和协调网络操作。远程飞行员监督网络，并可以在获得监管批准的情况下进行干预以确保安全飞行操作。
图 6 StratoSat 子系统
风廓线仪检索高分辨率风矢量数据，以实现高效的高度变化操作。我们提议使用被动激光外差辐射计，用于测量平流层中富含的臭氧的长波红外辐射。该宽带辐射计从至少两个斜角测量压力展宽和多普勒频移的臭氧光谱，以获取水平风矢量的剖面。该廓线仪还充当臭氧探空仪，对大气科学家来说可能具有价值。
在发放前（图 7a），未充气的平台被运输到发放场在一个标准的集装箱内。StratoSats 垂直发放，像气球一样，然后通过调整前后绞盘的相对压缩来在操作高度水平俯冲。为了回收，向气囊内引入空气，使平台下沉。低高度推进的效率有限，但有助于对平台进行定位以便进行降落伞着陆。航空电子设备和载荷子系统可以在未来的飞行中重复使用，但数月的持续操作将需要更换气囊（由于紫外线和臭氧暴露）、使用寿命有限的电池和太阳能电池板。
在定点驻留时（图 7b），多个 StratoSats 维持区域监护，同时通过冗余的卫星通信提供远程任务控制和操作，包括用于指挥和控制以及状态和健康报告的低带宽 L 波段链接（铱星），以及用于数据服务的更高带宽链接。
图 7 a）StratoSat 发放周期，b）示例任务操作显示三个 StratoSats 的编队，每个 StratoSats 均具有连接到远程任务操作和用户的冗余卫星通信。
三、总体及分系统设计
A.总体设计
本节比较了传统飞艇和 StratoSat 在宽泛高度范围内的平均速度和功率需求。
（1）对于传统飞艇，恒定速度飞行所需的功率由以下公式给出 [3,4]：
下标零对应最大操作高度。太阳能电池提供恒定功率，从而在最低操作高度实现持续的平台速度u1，其中
平均速度的归一化值为：
（2）StratoSat 通过调节体积以达到其期望的操作高度，使得：
并且功率限制的速度在其操作高度范围内大致保持恒定：
在 17-23 km的高度范围内评估这些方程，得出传统飞艇与 StratoSat 的平均速度比为1.2:1，这意味着等尺寸的传统飞艇相比 StratoSat 需要 1.2³ = 1.72 倍的功率。实际上，传统飞艇需要更大的尺寸来承载实现这一更高平均速度所需的动力装置。另一方面，StratoSats 需要携带绞车控制装置，这也增加了它们的总质量和功率。
更详细的分析还纳入了昼夜速度变化以及 StratoSat 高度依赖的长细比，如表 2 所示。在雷诺数 Re = 10⁷ 的情况下，StratoSats 的阻力系数CD0<0.03，随着高度（形状）的变化缓慢 [5]。分析显示，与传统飞艇相比，StratoSat 节省了 45% 的功率，这与上述的一阶分析得出的直觉一致。
表 2 StratoSat 与传统飞艇在 17-23 km范围内运行的性能比较
B. 分系统设计
基于模型的系统工程工具指导 StratoSat 设计空间的探索。因此，表 3 提供了有关上述 StratoSat 系统设计的更多详细信息。该设计针对美国–墨西哥边境的 9.75 小时夜晚进行了优化。日间速度为 25 m/s（50 节），夜间速度为 16-17 m/s（33 节）。50 公斤的载荷占平台总质量的 5%。具有这些特性的平台支持从赤道到中纬度地区的全年高可用性持续操作，并支持从中纬度到高纬度地区的季节性操作。
（1）气囊和结构：StratoSat气囊采用多层薄膜织物蒙皮，提供紫外线防护、气体和湿气屏障以及高比抗拉强度。薄膜经过金属化处理，以控制飞艇内部的加热。借鉴高空气球的经验 [6-7]，气囊被分割成一系列环向和轴向的瓣片，这允许使用更薄的气囊材料。关系式：
提供了一个有用的经验法则，用于确定瓣片的数量和间距。环向瓣片终止于一系列轴向箍，这些箍也承载形状控制绞盘（图 8）。轴向箍的间距同样由抗拉强度和薄膜厚度限制确定。一种替代设计在绞盘之间使用长桁，提供了更简单的控制，但结果是一个更重的平台。
（2）形状控制机制：StratoSat 的体积决定了飞艇的浮力高度，基于其置换的空气体积。轴向绞车维持此体积以抵抗内部过压，这对于在前飞中保持空气动力学形状是必要的。估计的设计过压约为 60 帕，以防止在 25 m/s的巡航速度下机鼻被压扁。为了压缩结构，矢量螺旋桨推力降低平台高度，导致外部压力增加，绞车电机收紧张力电缆以消除松弛。
温度变化同样遵循熟悉的气体定律：
平流层气球在昼夜周期中可能会经历 30-40°C 的温度变化 [8]。云层和地面反射率也对总热负荷有贡献。强制对流改善了飞艇的热传递，但气囊的金属化反射对于将内部温度上升限制在几度以内至关重要，这反过来又允许使用轻型绞车电机。
表 3 新墨西哥州操作的 StratoSat 参数设计
图 8 StratoSat 侧视图，显示轴向瓣片和形状控制绞盘
（3）推进系统：使日间和夜间的巡航速度与可用的太阳能或电池功率相匹配，可以提供最低质量的平台设计。如果盛行风与平台平均速度匹配，那么平台的地面位置将在昼夜周期内围绕这个中心点前后振荡。对于 12 小时的日照，以及昼夜速度差为 9 m/s的情况，平台昼夜位移为 324 km（±162 km），这在 20 km高度、5° 掠射角覆盖范围的 200 km半径关注范围内。
（4）太阳能电池板：与地面光伏系统相比，在平流层收集太阳能具有许多优势。操作通常在大气层的大部分之上进行，因此与太空飞船太阳能电池相关的较高功率密度 AM0 光谱是一个有用的近似。操作通常不会受到云层覆盖的阻碍。
太阳能电池板的位置是一个关键性能权衡。位于飞艇内部的太阳能电池板可以独立于平台方向进行太阳跟踪。二维太阳能跟踪最大化了太阳能收集。一个二维的太阳能集中器阵列可以启用使用实验室效率接近 50% 的空间合格多结太阳能电池。这种方法的缺点包括跟踪机制的重量和复杂性、与透明气囊材料相关的反射和传输损耗，以及气囊内部的热加热。由于直接太阳照射透明气囊以及低效光伏电池产生的废热导致的内部加热，是最大的挑战。对于固定体积结构，内部压力可能增加高达 15% [8]。这需要更重的张力控制机制来执行形状变化操作。
金属化气囊材料反射太阳能，从而最小化内部加热。然而，这需要使用外部太阳能电池板。安装在平台顶部的太阳能电池板可以利用薄膜光伏电池。外延剥离的砷化镓电池实现了接近 30% 的效率。钙钛矿–硅串联是一种新兴的低成本技术替代方案，在实验室中接近 30% 的效率。太阳能电池板应安装在隔热毯上，以最小化向气囊的热传导。如果平台滚动以匹配太阳的高度角，则可以实现一维太阳能跟踪。实际实现可能会将滚转角限制在小于 60°，但这在太阳位于地平线时可以实现 87% 的效率。如果平静的条件放宽了平台保持恒定巡航速度的需求，滚转操作也可能减少收获的功率。
（5）电池：电动汽车行业推动了高性能电池的发展，包括高比功率和高比能量设计。推进是主要的功率消耗者。太阳能电池板为平台巡航提供能量，并为夜间操作的电池充电。夜间巡航需要恒定的能量输入。因此，配置为提供恒定能量的电池是首选设计。海拔控制操作和载荷操作所需的能量只是水平推进所需能量的一小部分。
（6）航空电子设备：飞艇的航空电子设备可以轻松利用无人机行业开发的低成本、轻量化套餐。GPS 罗盘和惯性测量单元提供平台位置和方向。基于航点的导航和使用商业卫星通信链路（如铱星）的低数据率通信构成了常规和自主操作的基础。平台将位置、健康和状态数据返回到集中操作中心。新兴的商业卫星通信系统，如星链，为每个平台提供了用适度带宽返回载荷传感器数据的能力。对于更大规模的飞艇网络，平台之间的光学交叉链路可以支持每秒千兆比特的数据速率。
（7）风廓线仪：对高空风的实时了解使平台能够在不搜索最佳风层的情况下上升或下降到其首选操作高度。模拟表明，与使用完美风知识的操作相比，层搜索带来了 5-10% 的功率惩罚。不幸的是，无线电探空仪样本在地理和时间上都很稀疏，因此遗漏了许多局部特征，包括由地形特征（山脉）、对流层急流或电离层重力波引起的内部波。这些特征驱动的内部波与潮汐强迫的长距离内部波的叠加，为导航和定点驻留创造了更复杂的环境。
具有 100 米高度分辨率和m/s速度分辨率的原位风廓线仪将为平台操作带来显著优势。然而，相干紫外激光雷达体积大且耗电量大。探空仪或浮标可以帮助，但这些消耗性资源可能会影响预期的 6-12 个月的任务寿命。或者，被动仪器可以收集斜风剖面，以利用平流层中富含的臭氧的长波红外辐射来恢复水平风速随高度的变化 [9]。
具体来说，激光外差辐射计使用低功率的腔稳定量子级联激光器与臭氧发放进行光混合，为数字化的千兆赫带宽接收机提供基带光谱，以便后续处理。臭氧线发放因温度和压力而展宽，而温度和压力随高度变化。这些光谱因接收孔径方向投影的风速而产生多普勒频移。机载信号处理估计多普勒风速随高度的变化，并纠正平台运动。辐射计收集多个斜角的数据，以恢复水平风矢量剖面。更复杂的未来仪器可以对三维风场进行层析成像表征。
四、定点驻留模拟
全球无线电探空档案为模拟 StratoSat 定点驻留操作提供了源数据。在图 9 中，一个具有 17-23 km高度控制范围和 20 m/s平均速度的平台在 2019 年全年在阿布扎比保持定点驻留的概率为 100%（见图 2 了解 2019 年的风历史）。平台有在 4 个不同高度保持恒定操作高度的目标，但由于冬季和夏季的风速较高，需要调整高度以找到更有利的风速。当风速较低时，平台试图返回其指定高度。
图 9 2019 年 1 月 – 12 月在阿布扎比的定点驻留模拟，显示平台高度，目标高度为 19、20、21 和 22 km（黑色、蓝色、红色和绿色）。
在对风有完全了解的情况下，无论是通过详细的气象模型、其他平台共享的数据还是原位风廓线仪，平台都可以机动到最佳操作高度。在对风了解不完全的情况下，平台需要搜索策略，以高效地机动到有利风速的高度，然后在风速较低时返回其指定高度。因此，在图 9 中，平台寻找低于其巡航速度的风（不是最小风速），首先在较低高度搜索，然后在较高高度搜索，最终确定一个满足搜索标准的高度。在 12 小时（一个无线电探空仪样本）后，平台在向其指定操作高度的方向上进行临时高度调整。如果风速低于平台的平均巡航速度，则 StratoSat 保持新高度。该过程持续进行，直到 StratoSat 返回到其指定操作高度，如图中的颜色代码所示。
对于这个例子，风搜索算法以 20 m/s的平均平台速度实现了 100% 的平台可用性。在对风有完全了解的情况下，18 m/s的平均平台速度可以实现相同的目标。这 10% 的搜索惩罚主要源于平台在前往首选操作高度时在不利风中花费的时间。
五、飞艇组网操作
最后，我们将定点驻留模拟从单个平台扩展到多个平台网络。自主 StratoSat 网络可以在大陆规模上保持定点驻留。图 10 显示了在 3600 km × 3600 km网格上的 100 个 StratoSats 的位置。每个 StratoSat 的关注半径为 200 km。1300 万平方km的监护区域超过了欧洲的面积，欧洲面积为 1000 万平方km。西风的强度随纬度变化。平台使用“对齐网格”算法实现定点驻留目标。
覆盖区域被划分为一个六边形网格点。网格必须在圆形区域之间提供足够的重叠，以使一排飞艇在滑动时不会暴露间隙。每个飞艇被分配到最近的网格点，并尽可能直接前往那里，使用尽可能多的推进力。从左上角（对于西风）开始，沿着每条扫描线分配网格点给最近的飞艇。这使位置偏向左上角，从而使飞艇在被风吹离航道时能够循环回到位置。如果一个网格正方形变为空白，可能是由于风或设备故障，算法将选择最近的飞艇。由于它从左上角开始运行，最近的飞艇将在右侧或底部的网格正方形，导致它向空白正方形移动。这沿着一整排或一列传播，导致其中的每个飞艇向左或向上移动。与每个飞艇被永久分配到特定网格点相比，飞艇协同工作要好得多。通过使飞艇向特定的偏置方向移动，这可以关闭网络中出现的间隙。如果一个飞艇被风吹离航道，它被分配到另一侧的网格点，这导致它绕行，而一排或一列的其他飞艇则机动填补其原位置。
图 10 StratoSat 在 3600 km × 3600 km的区域内进行二维定点驻留的模拟。每个 StratoSat 的关注半径为 200 km：a）与局部风速为 18 m/s的风作斗争的单个 StratoSat，b）以 11 m/s的速度漂移的单个 StratoSat，c）使用对齐网格算法保持定点的协同 StratoSats。黑箭头是风矢量。红箭头是平台速度矢量。
在图 10 中，西风的强度随纬度变化，最大风速在监护边界为 20 m/s。与局部风速作斗争的平台（a）需要 18 m/s的速度来保持覆盖。速度为 11 m/s的平台（b）会漂移出场景。使用对齐网格算法实现定点驻留的协同平台（c）仅需 11 m/s的推进力即可保持覆盖。协同平台操作在本例中提供了 4.4 倍的功率节省。这种功率节省伴随着平台可用性降低的代价。未来的算法开发可能会减少这些覆盖间隙。用备用平台补充场景还可以提高网络可用性，并在平流层提供备用平台，以防单个 StratoSats 需要被撤出服务。在预期的 6-12 个月平台使用寿命内，这些备用平台还可以支持常规操作生命周期。
六、结论
变形态 StratoSats 为持续平流层操作提供了一种经济实惠的解决方案。具有广泛高度访问和可变空气动力学形状的推进平台，相比传统固定高度飞艇，可提供高达 40 倍的功率优势。通过利用区域风的变化，协同网络提供了额外的功率节省。StratoSats 支持遥感和通信应用。它们利用了无人机行业高效的推进技术、电动汽车的高比能量电池、地面太阳能收集的薄膜光伏技术以及高性能电子设备的摩尔定律缩放的最新商业进步。凭借这些优势，现在是应对这一航空前沿挑战的适当时机。
参考文献
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