[發(fā)明專利]基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310259305.X
• 申請(qǐng)日: 2013-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN104249818A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王厚浩;侯云億;董豐;譚天樂;賀亮;楊雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海新躍儀表廠
• 主分類號(hào): B64G1/62
• 分類號(hào): B64G1/62
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 馮和純

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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及探測(cè)器火星大氣制動(dòng)技術(shù)，尤其是基于磁流體控制技術(shù)的一種探測(cè)器火星大氣制動(dòng)方法。

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背景技術(shù)

探測(cè)器進(jìn)入大氣層時(shí)產(chǎn)生的脫體激波非常強(qiáng)，在探測(cè)器與激波之間的空域（沖擊層）中的氣流為等離子體狀態(tài)。磁流體控制技術(shù)是用機(jī)內(nèi)裝載的磁鐵對(duì)該等離子體流外加磁場時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)法則及霍爾效應(yīng)可知，沖擊層內(nèi)可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該技術(shù)應(yīng)用廣泛，如防熱控制、斜激波控制、流動(dòng)加/減速控制和飛行器氣動(dòng)力控制等。

火星大氣制動(dòng)的目的在于節(jié)省燃料，與僅依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來調(diào)整軌道相比，大氣制動(dòng)能夠?qū)牡厍虬l(fā)射時(shí)必須攜帶的燃料減少近一半，這是一個(gè)非常可觀的數(shù)量，特別是對(duì)于一個(gè)需要長途飛行數(shù)億千米的高速飛行器來說，節(jié)省燃料就意味著能夠攜帶更大的載荷。1994年美國的“麥哲倫號(hào)”航天器在金星上的主要任務(wù)結(jié)束時(shí)首次測(cè)試了大氣制動(dòng)技術(shù)，之后在多個(gè)火星探測(cè)器上成功使用了這項(xiàng)技術(shù)，如“火星全球勘測(cè)者”探測(cè)器、“火星氣候”探測(cè)器、“火星奧德賽”探測(cè)器和“火星偵察”探測(cè)器等。傳統(tǒng)的大氣制動(dòng)技術(shù)飛行時(shí)間很長，基于磁流體控制技術(shù)的大氣制動(dòng)方法可以提高大氣制動(dòng)的效率，大大降低大氣制動(dòng)運(yùn)行時(shí)間。

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法，能夠大大降低大氣制動(dòng)運(yùn)行時(shí)間，滿足未來深空探測(cè)的需求。

為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供的基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法，其步驟包括：1)?建立火星大氣密度近似模型;2)?探測(cè)器稀薄氣體效應(yīng)下的阻力估計(jì);3）制定大氣制動(dòng)策略；4）結(jié)合大氣制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，確定磁場強(qiáng)度。

一些實(shí)施例中，所述步驟1)包括：1-1）基于測(cè)量數(shù)據(jù)的大氣密度反演；1-2）最小二乘擬合獲得大氣密度近似模型。

一些實(shí)施例中，所述步驟2)包括：2-1）阻力系數(shù)估計(jì)；2-2）結(jié)合大氣密度模型和阻力系數(shù)估計(jì)公式，建立阻力估計(jì)近似模型。

一些實(shí)施例中，所述步驟3）中，在滿足約束條件下確定初始近火點(diǎn)的高度，約束條件為：為了確保探測(cè)器不會(huì)撞擊火星表面，要求近地點(diǎn)高度不低于臨界值；啟動(dòng)捕獲過程中的過載須保證在探測(cè)器可承受的范圍；滿足熱控的需求，減速過程的熱流密度和加熱量必須在探測(cè)器可承受的范圍；若探測(cè)器可產(chǎn)生升力，則必須保證近地點(diǎn)速度不能太大，導(dǎo)致探測(cè)器跳出大氣。

本發(fā)明采用基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：解決了大氣制動(dòng)飛行時(shí)間過長的問題，并降低了大氣制動(dòng)過程探測(cè)器所受的熱通量，保證了探測(cè)器的安全運(yùn)行。

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附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法流程圖；

圖2為探測(cè)器內(nèi)磁鐵示意圖；

圖3為實(shí)施大氣制動(dòng)方法示意圖；

圖4為采用基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法過程圖。

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具體實(shí)施方式

參見示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖，下文將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實(shí)施例的限制。相反，提出這些實(shí)施例是為了達(dá)成充分及完整公開，并且使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員完全了解本發(fā)明的范圍。這些附圖中，為清楚起見，可能放大了層及區(qū)域的尺寸及相對(duì)尺寸。

現(xiàn)參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的基于磁流體控制的大氣制動(dòng)方法，通過探測(cè)器內(nèi)裝載的磁鐵產(chǎn)生的磁場控制飛行器周圍的等離子流，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生電流和洛倫茲力，洛倫茲力的反作用力作用到探測(cè)器的電磁力引起的阻力和氣體力學(xué)阻力將使得使探測(cè)器大幅度減速（參見圖2）。該方法包括如下步驟：

1）建立火星大氣密度近似模型

1－1）基于測(cè)量數(shù)據(jù)的大氣密度反演：

采用氣動(dòng)資料庫迭代方式解得大氣密度

1－2）最小二乘擬合獲得大氣密度近似模型

采用最小二乘法擬合得到近拱點(diǎn)密度和密度標(biāo)高。下一條軌道的大氣密度估計(jì)公式為：

2）探測(cè)器稀薄氣體效應(yīng)下的阻力估計(jì)

2－1）阻力系數(shù)估計(jì)

無磁場時(shí)，基于橋函數(shù)法的阻力系數(shù)估計(jì)公式為：