[发明专利]基于磁流体控制的大气制动方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及探测器火星大气制动技术，尤其是基于磁流体控制技术的一种探测器火星大气制动方法。

 

背景技术

探测器进入大气层时产生的脱体激波非常强，在探测器与激波之间的空域（冲击层）中的气流为等离子体状态。磁流体控制技术是用机内装载的磁铁对该等离子体流外加磁场时，由法拉第电磁感应法则及霍尔效应可知，冲击层内可以产生感应电流。该技术应用广泛，如防热控制、斜激波控制、流动加/减速控制和飞行器气动力控制等。

火星大气制动的目的在于节省燃料，与仅依靠火箭发动机来调整轨道相比，大气制动能够将从地球发射时必须携带的燃料减少近一半，这是一个非常可观的数量，特别是对于一个需要长途飞行数亿千米的高速飞行器来说，节省燃料就意味着能够携带更大的载荷。1994年美国的“麦哲伦号”航天器在金星上的主要任务结束时首次测试了大气制动技术，之后在多个火星探测器上成功使用了这项技术，如“火星全球勘测者”探测器、“火星气候”探测器、“火星奥德赛”探测器和“火星侦察”探测器等。传统的大气制动技术飞行时间很长，基于磁流体控制技术的大气制动方法可以提高大气制动的效率，大大降低大气制动运行时间。

 

发明内容

本发明旨在提供一种基于磁流体控制的大气制动方法，能够大大降低大气制动运行时间，满足未来深空探测的需求。

为达成上述目的，本发明提供的基于磁流体控制的大气制动方法，其步骤包括：1) 建立火星大气密度近似模型;2) 探测器稀薄气体效应下的阻力估计;3）制定大气制动策略；4）结合大气制动动力学模型，确定磁场强度。

一些实施例中，所述步骤1)包括：1-1）基于测量数据的大气密度反演；1-2）最小二乘拟合获得大气密度近似模型。

一些实施例中，所述步骤2)包括：2-1）阻力系数估计；2-2）结合大气密度模型和阻力系数估计公式，建立阻力估计近似模型。

一些实施例中，所述步骤3）中，在满足约束条件下确定初始近火点的高度，约束条件为：为了确保探测器不会撞击火星表面，要求近地点高度不低于临界值；启动捕获过程中的过载须保证在探测器可承受的范围；满足热控的需求，减速过程的热流密度和加热量必须在探测器可承受的范围；若探测器可产生升力，则必须保证近地点速度不能太大，导致探测器跳出大气。

本发明采用基于磁流体控制的大气制动方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：解决了大气制动飞行时间过长的问题，并降低了大气制动过程探测器所受的热通量，保证了探测器的安全运行。

 

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明实施例的基于磁流体控制的大气制动方法流程图；

图2为探测器内磁铁示意图；

图3为实施大气制动方法示意图；

图4为采用基于磁流体控制的大气制动方法过程图。

 

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

现参考附图详细描述根据本发明实施例的基于磁流体控制的大气制动方法。如图1所示，根据本发明的基于磁流体控制的大气制动方法，通过探测器内装载的磁铁产生的磁场控制飞行器周围的等离子流，从而诱导产生电流和洛伦兹力，洛伦兹力的反作用力作用到探测器的电磁力引起的阻力和气体力学阻力将使得使探测器大幅度减速（参见图2）。该方法包括如下步骤：

1）建立火星大气密度近似模型

1－1）基于测量数据的大气密度反演：

采用气动资料库迭代方式解得大气密度

1－2）最小二乘拟合获得大气密度近似模型

采用最小二乘法拟合得到近拱点密度和密度标高。下一条轨道的大气密度估计公式为：

2）探测器稀薄气体效应下的阻力估计

2－1）阻力系数估计

无磁场时，基于桥函数法的阻力系数估计公式为：