[发明专利]一种临近空间大气密度探测系统及装置

说明书

本发明公开了一种临近空间大气密度探测系统，包括数据采集模块、SMU测量模块和通信模块。数据采集模块与SMU测量模块信号连接，用于采集获取导航数据和载荷数据并输送至SMU测量模块。SMU测量模块用于接收导航数据和载荷数据并进行存储。通信模块受控于SMU测量模块，用于将实现与地面端进行数据交互，实时下传导航数据和载荷数据至地面端。本发明搭载于运载火箭一级或二级，分离过程受控，可以探测到35～200km或以上空间。SMU测量模块最大功耗小于5w，配备16V\5Ah蓄电池待机时长可达16h左右，满足发射前提前加电装箭的待机时长要求。另外，小型化、高集成，且探测准确度高。

技术领域

本发明属于航天测控领域，尤其涉及一种临近空间大气密度探测系统及装置。

背景技术

大气探测对大气科学的发展有重要的促进作用。19世纪初以皮叶克尼斯父子为代表的挪威气象学派先后提出气象学发展史上最为著名的锋面理论、气旋波动理论，数据来源于全球地面观测站网积累的大量地面气象观测资料；上世纪30年代前后开展的高空探测积累了大量的高空气象观测资料，根据这些资料，上世纪30年代后期瑞典籍美国气象学家罗斯贝才有可能提出大气长波理论。因此，大气探测获得的大量系统性气象资料是气象理论发展必不可少的条件之一。

天气预报是现代人类生活和社会生产所依赖的重要技术手段之一，使得现代人类可以提前进行判断从事生产、躲避灾害，对生命、财产安全和社会发展产生了巨大的保护和促进作用。天气预报也是从气象观测开始的。20世纪中叶至20世纪末，大气遥感技术的兴起使大气探测技术迅猛发展，并朝着以常规大气探测为基础脉络，以气象卫星探测为重要支撑，以雷达站、海洋浮标站和船舶、髙空探测气球探测方式等在内的全球大气综合探测系统。

临近空间(Near space)是指距地面20～100公里的空域。临近空间及 100至200km的区域，是航空器和普通航天器无法长期运行的空间。航空器的运行依靠大气动力，其飞行高度在几千米左右，临近空间的稀薄大气不足以支撑航空器的飞行。同时，因稀薄大气的存在产生了一定阻力，普通航天器也无法长期在该范围轨道运行。

临近空间环境(包括大气密度、温度等)对气象现象分析、天气预报、弹道导弹打击精度、航天器返回落点预报、空间飞行器的再入及风险评估等具有重要意义，同时，亚轨道航天器等技术的发展也依赖于相应环境数据，临近空间正在成为国防和高技术应用争夺的新领域。

目前，国内高空探测主要采用由探空气球携带无线电探空仪升空进行压、温、湿测量。使用探空气球作为载体，一种可携带常规高空探测仪器的可膨胀球状气球，探空气球应有足够尺寸和质量，以保障携带载荷，确保测量元件具有良好升速(升至30km)。气球膨胀后应呈球形或梨形，体积应达到原来4倍以上，最好达5～6倍，且保持这种状态至少1小时。球皮质量优劣直接决定探测高度。探空综合探测使用的基本上都是乳白色探空专用球皮。经生产厂家多年改进，平均施放高度现已提高到28000米左右，最高达35000 米，但对10毫巴高度层探测无保证，探测高度起伏较大，要进一步改进探空气球质量及工艺。

使用高纯度氢气作为动力，高空气象探测规范规定，综合探测气球平均升速应保持在400米/分左右，同一型号球皮充入纯度低氢气比充入纯度高的氢气，爆炸高度要低，所以纯度低氢气要多充气量，使球皮体积更大。大多数探空站采用电解水制氢，纯度可达99％以上，安全系数也相对较高。

气球总举力由气球内气体体积浮力决定：

T＝V(PP)＝0.523D³(P-P)

其中，T为总举力，V为气球体积，P指空气密度，P为气球内气体密度，D是气球直径。利用无线电对探测数据进行下传，地面雷达可以跟踪接收无线电探空仪信号。信号经由接收机接收、解调器解调后，将得到的数据进行记录。