[发明专利]一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法

权利要求书

1.一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，应用在平流层飞艇升空全过程多物理场场景，其特征在于，包括：

S1，建立平流层飞艇的六自由度动力学模型；

S2，建立平流层飞艇的平均热力学模型；

S3，根据每一时间微元的初始力场和初始温度场，动力学方程线性化后再计算时间微元内的温度变化，推导出下一时间微元的初始力场和初始温度场，完成对平流层飞艇的动力学模型和热力学模型的时域离散化；

S4，采用牛顿迭代法，将每一时间微元的初始力场和初始温度场重新代回该时间微元内的排气控制方程，逐步迭代直至误差控制在误差允许范围内再进入下一时间微元的解耦计算，最终完成平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦。

2.根据权利要求1所述的基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，其特征在于，步骤S1包括结合平流层飞艇自重、气囊气体浮力、粘附质量、空气动力模型建立平流层飞艇的六自由度动力学模型；

其中，结合平流层飞艇自重建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：经坐标系转换后，平流层飞艇的重力在艇体坐标系下表达式为：

结合气囊气体浮力建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：经坐标系转换后，浮力方程在艇体坐标系下表达式为：

结合粘附质量建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：艇体坐标系下飞艇表面粘附质量方程为：

结合空气动力建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：艇体坐标系下空气动力方程为：

其中，ψ为航迹偏航角，θ为俯仰角，φ为滚转角，x_G、y_G、z_G为飞艇重心在艇体坐标系中分别沿ox、oy、oz轴的坐标位置，G为艇体的自重，B为飞艇所受浮力，C_b^e为惯性坐标系与艇体坐标系的转化矩阵，由于艇体坐标系的坐标原点选在浮心，因此浮力对艇体原点不产生力矩；m_ii(ii＝1～6)为飞艇在理想流体以单位加速度或单位角速度运动时所受的流体惯性力矩阵中的对角线元素，u,v,w分别表示飞艇沿艇体坐标系下的三个速度分量，p,q,r分别表示飞艇沿艇体坐标系下的三个角速度分量，X_l,Y_l,Z_l分别表示粘附质量按机体坐标系分解产生的惯性力；L_l,M_l,N_l分别表示粘附质量按机体坐标系分解产生的力矩；X_a,Y_aZ_a分别表示空气动力按机体坐标系分解产生的惯性力，L_a,M_a,N_a分别表示空气动力按机体坐标系分解产生的力矩，S为平流层飞艇的特征面积，V_a为平流层飞艇总体积，q＝0.5ρV²为动压，C_X、C_Y、C_Z分别为阻力系数，侧力系数和升力系数，C_N、C_M、C_L分别为偏航、俯仰和滚转力矩系数。

3.根据权利要求2所述的基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，其特征在于，六自由度动力学模型的方程为：

其中，I_x,I_y,I_z分别表示绕艇体坐标系的惯性矩，I_xy,I_xz,I_yz分别表示绕艇体坐标系的惯性积，六自由度动力学模型的方程中前三式分别表示轴向力方程、侧向力方程、垂直向力方程，六自由度动力学模型的方程中的后三式分别表示滚转力矩方程、俯仰力矩方程、偏航力矩方程。

4.根据权利要求1所述的基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，其特征在于，步骤S2包括：

根据能量守恒定律、理想气体状态方程、比热容公式，同时假定每个时间微元中气囊内外无质量流的流入和流出建立平流层飞艇的平均热力学模型。