[01679635]临近空间环境特征利用的低动态飞行器设计与控制理论方法

临近空间是空、天之间的过渡区域，具有独特的环境特征，包括稳定的大气环境、局部的低速风带、较少损耗的太阳能等优势。临近空间低动态飞行器充分利用临近空间环境特征可实现月、年量级的区域驻留能力，包括平流层飞艇和太阳能飞机，其适中的空间高度、宽广的对地覆盖面积，在侦察/监视、通信/互联网络、环境/灾害监测等领域具有重大应用价值，也被称为“平流层卫星”，是大国必争的战略前沿领域。 如何实现持久区域驻留是低动态飞行器面临的核心挑战，也是国际上探索研究的前沿热点领域。临近空间大气密度低，仅相当于地间的1/14，通过浮力和升力途径实现的平流层飞艇和太阳能飞机对大气密度敏感性高，导致飞行器设计尺度庞大，如平流层飞艇长度达百米量级，飞行器抗风驻留能源消耗大，且具有大惯性和慢响应等特点，如何构建实现能源昼夜可闭环的技术途径，如何构建充分利用和节省能源的总体设计方法，如何构建适应飞行器长时延动力学特性的区域驻留控制方法等，对临近空间低动态飞行器发展和应用至关重要。2009年以来，项目组针对上述核心难题开展了相关基础研究工作。 主要科学发现包括：①提出了利用临近空间环境特征实现能源长期循环的综合方法。结合临近空间自然环境的密度和风场梯度分布，采用太阳能发电、重力势储能、梯度风滑翔等综合利用方法，创新实现从自然梯度风中获取能源，支持长航时闭式能源循环的方法。②提出了基于广义能源模型的临近空间飞行器总体设计方法。将气动、结构、重量、能源等定义为广义能源参数，建立以能源为中心的飞行器总体设计方法，研究各参数对能源闭环的影响规律，为实现持久飞行建立总体与分系统设计和分配方法。③提出了区域驻留的低动态飞行器自适应控制理论方法。针对低动态飞行器长时延动力学特性，建立对模型不确定、参数摄动、风场扰动具有自适应的控制策略，实现强鲁棒、快响应、高精度的区域驻留控制。 项目发表SCI论文52篇，在科学出版社、国防工业出版社等出版专著/译著2部。8篇代表性论著SCI他引125次、总他引211次，2篇进入ESI前10%层次。第一完成人是国内临近空间总体技术领域研究发起者之一和知名专家，担任国家高分重大专项某专家组副组长/秘书长。第二完成人是2012年教育部博士研究生学术新人奖、2014年全军优秀博士论文(提名)获得者。第三完成人是2013年度中国航天CASC奖学金一等奖、2015年度湖南省优秀博士论文、2016年度全军优秀博士论文获得者。第四完成人是国家高分重大专项某专家组副秘书长。 论著获得顾逸东院士、包为民院士、Giuseppe D.C.教授、Alexandra M.教授、Shiau J.K.教授、MohammadAmin A.教授、Pedrycz W.教授等高度评价。3个科学发现代表性博士学位论文分别获评军优、湖南省优，基于科学发现2的学生作品获中国研究生未来飞行器创新大赛一等奖。 项目成果全面应用于国家某重大专项，为平流层飞艇和太阳能飞机实现持久区域驻留能力提供理论方法支撐，对推动中国临近空间低动态飞行器发展与应用具有重大意义。