本發(fā)明屬于艦載系留氣球纜繩長度變化量計算方法，具體地說涉及一種風擾動下艦載系留氣球恒高留空纜繩長度變化量計算方法。

背景技術(shù)：

1、艦載系留氣球是一種裝載在艦船上的中小型系留氣球系統(tǒng)，由球體、任務(wù)載荷、系留纜繩、錨泊收放絞車、控制系統(tǒng)等主要部分組成，通常搭載雷達、通訊、干擾、偵察等電子設(shè)備于球體下方，由于其具有留空時間長、覆蓋面積大、可連續(xù)不間斷工作等特點，廣泛用于海上安全、領(lǐng)海邊界監(jiān)測、海軍軍事領(lǐng)域監(jiān)測。相比較下，系留氣球的表現(xiàn)要略優(yōu)于其他裝備，具有很高的軍事應(yīng)用價值與意義。

2、而系留纜繩是控制系留氣球升空、回收、駐留、姿態(tài)調(diào)整的關(guān)鍵部件，同時為球體提供能源，有時還為氣球與艦船系統(tǒng)提供信息傳輸通道。由于艦載系留氣球日常工作時就需要長時間恒高留空作業(yè)，在海洋惡劣環(huán)境下，系留氣球時常受到時變強海風的作用，導(dǎo)致系留纜繩承受著時變張力而被拉伸，甚至使長達數(shù)千米纜繩發(fā)生疲勞斷裂，進而影響系留物體的留空穩(wěn)定性和安全性，給生產(chǎn)作業(yè)帶來極大的破壞和損失。另外，也可能使得系留氣球偏離原來穩(wěn)定的留空位置，由于氣球留空作業(yè)需要長時間穩(wěn)定在在一定的高度，當風速變化較大而不進行控制，系留氣球?qū)チ艨漳芰?。通常通過錨泊收放絞車進行風擾動主動補償控制，提高系留氣球的留空穩(wěn)定性和搭載設(shè)備的安全性、利用率，而系留纜繩在風擾動下的伸長量是主動補償控制的關(guān)鍵控制量，因此，通過建立氣球-纜繩動力學模型，分析風擾動下氣球-纜繩系統(tǒng)的運動趨勢，計算纜繩長度變化量，為主動風干擾補償控制提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)風擾動下系留氣球長時間持續(xù)穩(wěn)定高度留空作業(yè)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所涉及一種風擾動下艦載系留氣球恒高留空纜繩長度變化量計算方法，其特征在于，通過建立實時風場模型獲得表征系留氣球作業(yè)的風速時域函數(shù)，微元化系留纜繩并等效為“彈簧-阻尼”單元，建立系留氣球、系留纜繩力學建模，迭代計算微元纜繩長度，并求和獲得纜繩長度變化量，按以下三個步驟進行：步驟一、實時風場模型建立，步驟二、氣球-纜繩系統(tǒng)力學建模，步驟三、纜繩長度計算。

2、步驟一：實時風場模型建立

3、系留氣球作業(yè)時的實時風場模型，包括平均風風速模型、陣風風速模型、紊流風速模型，具體模型建立如下：

4、（1）平均風風速模型表達式為

5、 v p= c??????（1）

6、式中， c為常數(shù)；

7、（2）陣風風速模型表達式為

8、???????（2）

9、式中： v gmax為陣風風速的最大峰值；

10、（3）紊流風速模型表達式為

11、 v t =v tmax ran(-1,1)sin(2 πt+ ω n)???????（3）

12、式中， v tmax為紊流風速的最高峰值， ran(-1,1)為從-1到1之間的隨機數(shù)， ω n為的紊流風的初相位角取值為0到2 π之間的隨機角度；

13、由式（1）-式（3），可獲得表征系留氣球作業(yè)風速時域函數(shù)的實時風場模型為

14、 v風= v p+ v g+ v t???????（4）

15、步驟二：氣球-纜繩系統(tǒng)力學建模

16、氣球-纜繩系統(tǒng)包括氣球、纜繩，先簡化氣球-纜繩系統(tǒng)，然后對氣球、微元纜繩進行力學建模，分析其穩(wěn)定狀態(tài)下的受力和幾何關(guān)系，具體如下：

17、（1）纜繩“彈簧-阻尼”微元化

18、將系留氣球留空高度 h劃分為 n等份，每份高度為△ h，然后按高度等分對應(yīng)將纜繩分成 n段，并將微元化的纜繩單元等效為“彈簧-阻尼”單元；

19、（2）氣球力學建模

20、在時間為 t的實時風場下，建立氣球力學模型，具體如下：

21、垂直方向受力平衡方程為

22、 f升=sin a1· t1+ g???????（5）

23、式中， f升為氣球的升力， t1為纜繩與氣球之間的纜繩張力， α1纜繩拉力與 x軸的夾角， g為氣球和任務(wù)載荷的重力；

24、而 f升是由氣球浮力、氣動升力所產(chǎn)生，因此也表達為

25、???????（6）

26、式中， f浮為氣球浮力， f氣為氣球氣動升力， v為氣球氣囊體積， ρ a為氣球當前高度的空氣密度， ρ h氣球內(nèi)氦氣的密度， v t為 t時刻的實時風速， s b為氣球特征面積， c l為氣球氣動升力系數(shù)， m為氣球和荷載的質(zhì)量， g為重力加速度；

27、水平方向受力平衡方程為

28、 f風=cos α1· t1???????（7）

29、式中， f風為氣球的水平推力；

30、而 f風是由氣球受到風作用的水平阻力，因此也可表達為

31、???????（8）

32、式中， c d為氣球氣動阻力系數(shù)；

33、（3）纜繩力學建模

34、選取第 i微元纜繩進行受力分析，并建立起系留纜繩力學模型，具體如下：

35、以 x i節(jié)點作為分析研究對象，其受力平衡方程為

36、 t icos α i= t i+1cos α i+1???????（9）

37、 t isin α i= t i+1sin α i+1+ ρ繩 l i???????（10）

38、式中， t i、 t i+1分別為第 i、 i+1微元纜繩張力， α i、 α i+1分別為第 i、 i+1微元纜繩水平夾角， ρ繩為纜繩的線密度， l i為第 i微元纜繩的原長；

39、聯(lián)立式（9）-式（10），可得

40、???????（11）

41、又由“彈簧-阻尼”單元特性，可得

42、???????（12）

43、式中， a為纜繩橫截面積， e為纜繩彈性模量， η為纜繩阻尼系數(shù)， ε i為特性微元伸長量變化率；

44、 ε i表達式為

45、???????（13）

46、式中， l i '為第 i微元纜繩伸長后的長度；

47、由于纜繩的柔體特性，纜繩受拉不受壓，故

48、???????（14）

49、在第 i微元纜繩中，根據(jù)幾何關(guān)系，可得

50、△ h= l i 'sin α i???????（15）

51、聯(lián)立式（13）-式（15），可得在纜繩原長關(guān)系表達式為

52、???????（16）

53、步驟三：纜繩長度計算

54、將風場、氣球、纜繩基本參數(shù)及留空高度初始化，按等高原則對纜繩微元化為 n份，以 t時刻下纜繩與氣球連結(jié)點 x0的狀態(tài)為邊界條件，由式（5）-式（8）計算 t時刻下的連結(jié)點 x0的邊界條件參數(shù) t1、 a1，從 i=1開始，循環(huán)聯(lián)立式（9）、式（11）、式（16）計算 l i、 t i+1、 a i+1，將 t i+1、 a i+1代入下一次循環(huán)，直至 i= n，然后按式（17）進行計算 t時刻纜繩長度變化量為

55、???????（17）

56、式中， l( t)為錨泊收放絞車 t時刻已放出的纜繩實際長度。

57、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所涉及一種風擾動下艦載系留氣球恒高留空纜繩長度變化量計算方法，建立實時風場模型獲得表征系留氣球作業(yè)的風速時域函數(shù)，使得風速數(shù)據(jù)更具有普遍性；微元化系留纜繩并等效為“彈簧-阻尼”單元，建立系留氣球、系留纜繩力學建模，迭代計算微元纜繩長度，并求和獲得纜繩長度變化量，具有分析合理，建模計算簡單、可靠的優(yōu)點；為風干擾下系留氣球主動補償控制提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)系留氣球長時間持續(xù)穩(wěn)定高度留空作業(yè)。