[发明专利]一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于航天测控技术领域，涉及一种航天仪器的设计方法，特别涉及一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法。

背景技术

火星浮空探测是目前世界各国火星探测的热点，主要原因是目前火星气象资料的探测仅有两种途径：1）通过轨道器获取；2）通过巡弋器获取。以上两种方式，基本无法实现对火星中低层大气进行详细探测的目的，而这一空间，根据气象学经验，正是绝大部分有价值元素的分布空间。而浮空探测器所探测的区域大约在火表数米到数公里高度，正好弥补了以上的不足。

相应的浮空探测器设计在过去20年中层出不穷。其中较为著名的有Anon于1978年提出的RPVME；Smith等人在2000年提出的Canyon Flyer；Barrett于同年提出的Aerobots；Landies等人在NASA空间科学大会上提出的FV概念；以及Levine在2003年提出的ARES。

经过长期的研究，研究团队发现以往所有的有关火星的浮空探测器设计都有共同的缺点，就是浮空探测时间短且不可重复使用。具体说来，以ARES举例说明，该任务计划以数十亿美元的高昂代价获取仅仅2.5-48个小时的数据，风险高，性价比低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供了一种在火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法。本发明针对火星表面稀薄大气，提出了一套火星表面浮空探测器与机械臂相结合的设计理论，是一种具有很强中国特色的浮空探测器设计，它可以对火星，或者其它类地星体，在同一地点或不同地点多次执行浮空探测任务。本发明具有可重复使用的特点，弥补了目前世界上所有针对火星浮空探测器的共同缺点——探测任务时间短、次数低、风险高。实现了对火星表面在任务时段的可重复探测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据公开的火星表面气象模型设定浮空探测器起飞时的气象基线，包括起飞时的火星表面大气温度T，大气压力P，大气密度ρ，风场信息W；

步骤二：利用步骤一中获取的火星表面气象模型及其所建立的气象基线，和公开的火星重力学参数建立在起飞时的浮空探测器气动模型；

步骤三：选择浮空探测器的材料和设计浮空探测器的尺寸，选择缆绳的材料和设计缆绳的长度，再根据步骤二建立的浮空探测器气动模型，由风场信息W的风向确定探测时的起飞攻角并由风场信息W的风速和起飞攻角确定升力；

步骤四：计算步骤三中所涉及的升力与浮空探测器和缆绳的质量和的大小差值，设计机械臂前端运动的线速度V以提供辅助升力用来补充差值；

步骤五：根据机械臂前端线速度V分析机械臂臂长与旋转角速度；

步骤六：根据前面分析机械臂、浮空探测器和缆绳综合作用结果，校验浮空探测器系统设计，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和大于或等于浮空探测器和缆绳的重力则表明机械臂、浮空探测器和缆绳设计可行，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和小于浮空探测器和缆绳的重力则表明浮空探测器和缆绳选材计算有误，需要返回步骤三重新设计。

本发明的优点和有益效果在于：

（1）通过上述计算过程得出适用于火星表面低密度大气的可重复使用浮空器的辅助升力提供装置——机械臂的明确臂长以及其末端线速度从而确定其前段角速度，以使其可以具备在火星大气不足以为浮空器提供足够升力时，为浮空器提供额外升力的能力。

（2）根据机械臂速度的变化，对浮空探测器的载荷重量可以在机械臂的工作区间内灵活调整。

（3）由于浮空探测器的可重复使用性，对同一火星目标地点在某一区域内可以在理论上实现无限次数的勘测，对同一区域的不同时段可以实现根据浮空探测器放飞高度的不同的立体气象资料收集。

附图说明

图1本发明放飞状态示意图；

图2为本发明流程图。

其中，A-浮空探测器；B-机械臂；C-可移动浮空探测器底座；D-缆绳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。