一種火星表面可重復使用浮空探測器系統的設計方法技術方案

本發明專利技術屬于航天測控技術領域，涉及一種航天儀器的設計方法，特別涉及一種火星表面可重復使用浮空探測器系統的設計方法。所述浮空探測器系統由浮空探測器、纜繩、機械臂和可移動浮空探測器底座組成，所述設計方法包括六個步驟完成，本發明專利技術的優點和有益效果在于，由于浮空探測器的可重復使用性，對同一火星目標地點在某一區域內可以在理論上實現無限次數的勘測，對同一區域的不同時段可以實現根據浮空探測器放飛高度的不同的立體氣象資料收集。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于航天測控
，涉及一種航天儀器的設計方法，特別涉及。
技術介紹
火星浮空探測是目前世界各國火星探測的熱點，主要原因是目前火星氣象資料的探測僅有兩種途徑1)通過軌道器獲??；2)通過巡弋器獲取。以上兩種方式，基本無法實現對火星中低層大氣進行詳細探測的目的，而這一空間，根據氣象學經驗，正是絕大部分有價值元素的分布空間。而浮空探測器所探測的區域大約在火表數米到數公里高度，正好彌補了以上的不足。相應的浮空探測器設計在過去20年中層出不窮。其中較為著名的有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空間科學大會上提出的FV概念；以及Levine在2003年提出的ARES。經過長期的研究，研究團隊發現以往所有的有關火星的浮空探測器設計都有共同的缺點，就是浮空探測時間短且不可重復使用。具體說來，以ARES舉例說明，該任務計劃以數十億美元的高昂代價獲取僅僅2. 5-48個小時的數據，風險高，性價比低。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是本專利技術提供了一種在火星表面可重復使用浮空探測器系統的設計方法。本專利技術針對火星表面稀薄大氣，提出了一套火星表面浮空探測器與機械臂相結合的設計理論，是一種具有很強中國特色的浮空探測器設計，它可以對火星，或者其它類地星體，在同一地點或不同地點多次執行浮空探測任務。本專利技術具有可重復使用的特點，彌補了目前世界上所有針對火星浮空探測器的共同缺點一一探測任務時間短、次數低、風險高。實現了對火星表面在任務時段的可重復探測。為了實現上述目的，本專利技術的技術方案是設計，包括以下步驟步驟一根據公開的火星表面氣象模型設定浮空探測器起飛時的氣象基線，包括起飛時的火星表面大氣溫度T，大氣壓力P,大氣密度P ,風場信息W ；步驟二 利用步驟一中獲取的火星表面氣象模型及其所建立的氣象基線，和公開的火星重力學參數建立在起飛時的浮空探測器氣動模型；步驟三選擇浮空探測器的材料和設計浮空探測器的尺寸，選擇纜繩的材料和設計纜繩的長度，再根據步驟二建立的浮空探測器氣動模型，由風場信息W的風向確定探測時的起飛攻角并由風場信息W的風速和起飛攻角確定升力；步驟四計算步驟三中所涉及的升力與浮空探測器和纜繩的質量和的大小差值，設計機械臂前端運動的線速度V以提供輔助升力用來補充差值；步驟五根據機械臂前端線速度V分析機械臂臂長與旋轉角速度；步驟六根據前面分析機械臂、浮空探測器和纜繩綜合作用結果，校驗浮空探測器系統設計，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和大于或等于浮空探測器和纜繩的重力則表明機械臂、浮空探測器和纜繩設計可行，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和小于浮空探測器和纜繩的重力則表明浮空探測器和纜繩選材計算有誤，需要返回步驟三重新設計。本專利技術的優點和有益效果在于(I)通過上述計算過程得出適用于火星表面低密度大氣的可重復使用浮空器的輔助升力提供裝置——機械臂的明確臂長以及其末端線速度從而確定其前段角速度，以使其可以具備在火星大氣不足以為浮空器提供足夠升力時，為浮空器提供額外升力的能力。 (2)根據機械臂速度的變化，對浮空探測器的載荷重量可以在機械臂的工作區間內靈活調整。(3)由于浮空探測器的可重復使用性，對同一火星目標地點在某一區域內可以在理論上實現無限次數的勘測，對同一區域的不同時段可以實現根據浮空探測器放飛高度的不同的立體氣象資料收集。附圖說明圖1本專利技術放飛狀態示意圖；圖2為本專利技術流程圖。其中，A-浮空探測器；B-機械臂；C_可移動浮空探測器底座；D_纜繩。具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本專利技術的具體實施方式作進一步描述，以下實施例僅用于更加清楚地說明本專利技術的技術方案，而不能以此來限制本專利技術的保護范圍。本專利技術具體實施的技術方案是一種火星表面可重復使用浮空探測器系統，由浮空探測器A、機械臂B、纜繩D和可移動浮空探測器底座C組成。其中浮空探測器A可以是任意火星表面巡視器構成，僅需為機械臂B提供機電熱接口即可。機械臂B與浮空探測器A之間通過纜繩D連結，浮空探測器A處于休眠狀態時，浮空探測器A收攏于機械臂B上，當達到適當風速時，釋放浮空探測器A，此刻機械臂B通過高速擺動以及對纜繩D的控制為浮空探測器A提供額外升力，實現浮空探測器A在低密度大氣下的起飛，待浮空探測器A穩定后，實施科學探測。浮空探測器A回收時，通過機械臂B收攏纜繩D完成回收。其中，上述浮空探測器系統設計過程具體步驟如下步驟一根據公開的火星表面氣象模型設定浮空探測器A起飛時的氣象基線，包括起飛時的火星表面大氣溫度T (h)，大氣壓力P (h)，大氣密度P (T)，風場信息W (h)。目前火星大氣模型有很多，比如MGCM，本專利技術使用美國宇航局與歐空局共享的MarS-GRAM2000為設計基礎數據?；鹦巧洗髿獾臏囟扰c氣壓都相對較低，其中大氣溫度在中層呈相對穩定的狀態，在低層成線性下降趨勢。該模型以6998. 208m為一個重要階段T = -31. 0-0. 000998h (°C )① Ρ = 0· 699e_0. 00009h (kP α )②權利要求1.，其特征在于所述浮空探測器系統由浮空探測器、纜繩、機械臂和可移動浮空探測器底座組成，所述設計方法包括以下步驟步驟一根據公開的火星表面氣象模型設定浮空探測器起飛時的氣象基線，包括起飛時的火星表面大氣溫度T，大氣壓力P,大氣密度P ,風場信息W ；步驟二 利用步驟一中獲取的火星表面氣象模型及其所建立的氣象基線，和公開的火星重力學參數建立在起飛時的浮空探測器氣動模型；步驟三選擇浮空探測器的材料和設計浮空探測器的尺寸，選擇纜繩的材料和設計纜繩的長度，再根據步驟二建立的浮空探測器氣動模型，由風場信息W的風向確定探測時的起飛攻角并由風場信息W的風速和起飛攻角確定升力；步驟四計算步驟三中所涉及的升力與浮空探測器和纜繩的質量和的大小差值，設計機械臂前端運動的線速度V以提供輔助升力用來補充差值；步驟五根據機械臂前端線速度V分析機械臂臂長與旋轉角速度；步驟六根據前面分析機械臂、浮空探測器和纜繩綜合作用結果，校驗浮空探測器系統設計，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和大于或等于浮空探測器和纜繩的重力則表明機械臂、浮空探測器和纜繩設計可行，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和小于浮空探測器和纜繩的重力則表明浮空探測器和纜繩選材計算有誤，需要返回步驟三重新設計。2.根據權利要求1所述的，其特征在于浮空探測器是由密度小于1. 2g/cm3，拉伸強度大于或等于3. 2Gpa的材料制作而成。3.根據權利要求1或2所述的， 其特征在于繩索是由密度小于O. 5g/cm3，拉伸強度大于或等于3Gpa的材料制作而成。全文摘要本專利技術屬于航天測控
，涉及一種航天儀器的設計方法，特別涉及。所述浮空探測器系統由浮空探測器、纜繩、機械臂和可移動浮空探測器底座組成，所述設計方法包括六個步驟完成，本專利技術的優點和有益效果在于，由于浮空探測器的可重復使用性，對同一火星目標地點在某一區域內可以在理論上實現無限本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種火星表面可重復使用浮空探測器系統的設計方法，其特征在于：所述浮空探測器系統由浮空探測器、纜繩、機械臂和可移動浮空探測器底座組成，所述設計方法包括以下步驟：步驟一：根據公開的火星表面氣象模型設定浮空探測器起飛時的氣象基線，包括起飛時的火星表面大氣溫度T，大氣壓力P，大氣密度ρ，風場信息W；步驟二：利用步驟一中獲取的火星表面氣象模型及其所建立的氣象基線，和公開的火星重力學參數建立在起飛時的浮空探測器氣動模型；步驟三：選擇浮空探測器的材料和設計浮空探測器的尺寸，選擇纜繩的材料和設計纜繩的長度，再根據步驟二建立的浮空探測器氣動模型，由風場信息W的風向確定探測時的起飛攻角并由風場信息W的風速和起飛攻角確定升力；步驟四：計算步驟三中所涉及的升力與浮空探測器和纜繩的質量和的大小差值，設計機械臂前端運動的線速度V以提供輔助升力用來補充差值；步驟五：根據機械臂前端線速度V分析機械臂臂長與旋轉角速度；步驟六：根據前面分析機械臂、浮空探測器和纜繩綜合作用結果，校驗浮空探測器系統設計，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和大于或等于浮空探測器和纜繩的重力則表明機械臂、浮空探測器和纜繩設計可行，若浮空探測器和纜繩升力加上機械臂前端運動的線速度V提供輔助升力總和小于浮空探測器和纜繩的重力則表明浮空探測器和纜繩選材計算有誤，需要返回步驟三重新設計。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：高冀，陳穎，楊哲，趙志偉，杜菲，宋政吉，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：