风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

邓小龙，丛伟轩，李 魁，杨希祥

(国防科技大学空天科学学院，长沙 410073)

0 引 言

平流层浮空器是指依靠浮升气体产生的浮力在20 km高度附近进行持久驻空飞行的浮空类飞行器，主要包括平流层飞艇和高空气球[1]。此类浮空器主要工作在气流相对平稳、垂直对流小的平流层，具有驻空时间长、载荷量大、效费比高等优点。通过携带任务载荷，平流层浮空器具备长期、实时、全天候、全天时的信息获取能力，可为高分辨率对地观测、预警探测、通信中继、防灾减灾、环境监测和高速通信等应用需求提供技术途径，具有巨大的军事应用和民用前景，引起了越来越多国家的重视[2-3]。

由于工作高度的大气密度极低，平流层浮空器需要庞大的体积来提供浮力，致使其飞行性能严重受制于环境风场。为执行区域驻留任务，平流层浮空器通常利用强大的动力和能源克服风场执行飞行任务，导致其动力分系统和能源分系统庞大且复杂，重量代价高，这也是目前平流层飞艇设计所面临的一个重要问题。

在平流层高度，大气运动以东西方向的水平运动为主，垂直对流较弱。研究发现，平流层风场存在东西风向翻转，在东风带和西风带之间存在空间范围较大、时间上比较稳定的纬向风转换层，即准零风层[4]。针对准零风层现象，平流层浮空器通过改变浮重平衡状态进行驻空高度的调控，理论上能以较小的能源和动力代价实现飞行器的区域驻留，为解决临近空间浮空器区域驻留问题提供了一种解决途径。……