[發(fā)明專利]一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法

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• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111581789A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐梓棋;姚小虎
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 陳宏升

1.一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，應(yīng)用在平流層飛艇升空全過程多物理場場景，其特征在于，包括：

S1，建立平流層飛艇的六自由度動力學(xué)模型；

S2，建立平流層飛艇的平均熱力學(xué)模型；

S3，根據(jù)每一時間微元的初始力場和初始溫度場，動力學(xué)方程線性化后再計算時間微元內(nèi)的溫度變化，推導(dǎo)出下一時間微元的初始力場和初始溫度場，完成對平流層飛艇的動力學(xué)模型和熱力學(xué)模型的時域離散化；

S4，采用牛頓迭代法，將每一時間微元的初始力場和初始溫度場重新代回該時間微元內(nèi)的排氣控制方程，逐步迭代直至誤差控制在誤差允許范圍內(nèi)再進入下一時間微元的解耦計算，最終完成平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，其特征在于，步驟S1包括結(jié)合平流層飛艇自重、氣囊氣體浮力、粘附質(zhì)量、空氣動力模型建立平流層飛艇的六自由度動力學(xué)模型；

其中，結(jié)合平流層飛艇自重建立平流層飛艇六自由度動力學(xué)模型包括：經(jīng)坐標系轉(zhuǎn)換后，平流層飛艇的重力在艇體坐標系下表達式為：

結(jié)合氣囊氣體浮力建立平流層飛艇六自由度動力學(xué)模型包括：經(jīng)坐標系轉(zhuǎn)換后，浮力方程在艇體坐標系下表達式為：

結(jié)合粘附質(zhì)量建立平流層飛艇六自由度動力學(xué)模型包括：艇體坐標系下飛艇表面粘附質(zhì)量方程為：

結(jié)合空氣動力建立平流層飛艇六自由度動力學(xué)模型包括：艇體坐標系下空氣動力方程為：

其中，ψ為航跡偏航角，θ為俯仰角，φ為滾轉(zhuǎn)角，x_G、y_G、z_G為飛艇重心在艇體坐標系中分別沿ox、oy、oz軸的坐標位置，G為艇體的自重，B為飛艇所受浮力，C_b^e為慣性坐標系與艇體坐標系的轉(zhuǎn)化矩陣，由于艇體坐標系的坐標原點選在浮心，因此浮力對艇體原點不產(chǎn)生力矩；m_ii(ii＝1～6)為飛艇在理想流體以單位加速度或單位角速度運動時所受的流體慣性力矩陣中的對角線元素，u,v,w分別表示飛艇沿艇體坐標系下的三個速度分量，p,q,r分別表示飛艇沿艇體坐標系下的三個角速度分量，X_l,Y_l,Z_l分別表示粘附質(zhì)量按機體坐標系分解產(chǎn)生的慣性力；L_l,M_l,N_l分別表示粘附質(zhì)量按機體坐標系分解產(chǎn)生的力矩；X_a,Y_aZ_a分別表示空氣動力按機體坐標系分解產(chǎn)生的慣性力，L_a,M_a,N_a分別表示空氣動力按機體坐標系分解產(chǎn)生的力矩，S為平流層飛艇的特征面積，V_a為平流層飛艇總體積，q＝0.5ρV²為動壓，C_X、C_Y、C_Z分別為阻力系數(shù)，側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)，C_N、C_M、C_L分別為偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，其特征在于，六自由度動力學(xué)模型的方程為：

其中，I_x,I_y,I_z分別表示繞艇體坐標系的慣性矩，I_xy,I_xz,I_yz分別表示繞艇體坐標系的慣性積，六自由度動力學(xué)模型的方程中前三式分別表示軸向力方程、側(cè)向力方程、垂直向力方程，六自由度動力學(xué)模型的方程中的后三式分別表示滾轉(zhuǎn)力矩方程、俯仰力矩方程、偏航力矩方程。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，其特征在于，步驟S2包括：

根據(jù)能量守恒定律、理想氣體狀態(tài)方程、比熱容公式，同時假定每個時間微元中氣囊內(nèi)外無質(zhì)量流的流入和流出建立平流層飛艇的平均熱力學(xué)模型。