[00751808]临近空间环境利用的超长航时飞行器设计与控制方法

临近空间作为人类继陆、海、空、天之后，进一步拓展和利用的自然环境，对催生新的经济产业和作战力量具有重大战略意义。以平流层飞艇和太阳能飞机为代表的低速临近空间飞行器，利用临近空间下层持续稳定的低速风带，结合较少损耗的太阳辐照构成昼夜循环能源，可实现月、年量级的超长航时区域驻留，被称为“平流层卫星”，在信息获取与支援领域具有不同于空、天的特色能力，是军事强国和Boeing、Lockheed、Google等竞相发展的重大方向。 临近空间下层大气密度稀薄，飞行器升力/浮力有限导致尺寸巨大，能源需求与抗风速度成三次方关系，给超长航时飞行器设计与控制带来极大挑战。受当前能源技术指标限制，寻找能源、结构、动力、气动等学科协调的可行解和设计域极其困难，能源约束的欠驱动控制难以满足大惯量、长时延飞行器控制需求。 研究取得三个科学发现：①临近空间环境能源获取与利用的规划方法。首次揭示了临近空间风梯度中能量获取与飞行器设计参数之间的关联机理，提出了综合利用太阳能、风梯度和重力势的航迹规划方法。②飞行器广义能源模型与极限设计方法。提出了广义能源概念与多学科统一模型，建立了复杂耦合约束的昼夜能源闭环极限设计方法。③欠驱动长时延飞行器自适应鲁棒控制方法。提出了欠驱动、大惯量、长时延飞行器的区域驻留控制策略，建立了快收敛、强魯棒、高精度的自适应控制方法。上述发现丰富和发展了航空宇航科学与技术飞行器设计理论与控制方法。 项目团队在国内最早开展低速临近空间飞行器研究，承担国家重大专项、自然科学基金、863计划等多项国家级项目，所在单位是两个国家级临近空间专家组和湖南省飞艇工程技术研宄中心依托单位。第一完成人是国内最早从事临近空间研究的学术带头人之一，承担和参与了我国大部分临近空间发展规划制定工作，担任国家重大专项某专家组副组长/秘书长、临近空间工程副总师，国家863计划某专家组副秘书长。其余完成人均为该领域中青年专家学者。 发表SCI论文55篇，在科学出版社等出版专著2部、教材1部。8篇代表作SCI他引174次、总他引322次，2篇进入ESI前10%.支撑的博士论文获军优、省优奖励，支撑的创新设计获中国研究生未来飞行器创新大赛一等奖1项、二等奖2项。成果获得顾逸东院士、包为民院士、美国Richardson教授、意大利Giuseppe教授、西班牙Alberto教授等国内外知名学者的高度评价。评价科学发现一属“飞行器增长航时的前沿创新研究工作”、科学发现二属“飞行器先进设计理论与方法”、科学发现三属“特殊飞行器控制的前沿工作”。 成果有力推动了我国临近空间太阳能飞机的创新研发，支持实现重大项目立项；有力推动了我国平流层飞艇完成第一阶段研发进入工程实施阶段，支撑两个单位设计方案通过竞争择优获得国家重点资助。为我国该领域研究由并跑向领跑跨越式发展提供坚实支撑。