基于磁流體控制的大氣制動方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁流體控制的大氣制動方法，該方法步驟包括：建立火星大氣密度近似模型;探測器稀薄氣體效應(yīng)下的阻力估計;制定大氣制動策略；結(jié)合大氣制動動力學模型，確定磁場強度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了大氣制動飛行時間過長的問題，并降低了大氣制動過程探測器所受的熱通量，保證了探測器的安全運行。
【專利說明】基于磁流體控制的大氣制動方法
[0001] _

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及探測器火星大氣制動技術(shù)，尤其是基于磁流體控制技術(shù)的一種探測器 火星大氣制動方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 探測器進入大氣層時產(chǎn)生的脫體激波非常強，在探測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)是用機內(nèi)裝載的磁鐵對該等離子體流外加 磁場時，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、流動加/減速控制和飛行器氣動力控制等。
[0005] 火星大氣制動的目的在于節(jié)省燃料，與僅依靠火箭發(fā)動機來調(diào)整軌道相比，大氣 制動能夠?qū)牡厍虬l(fā)射時必須攜帶的燃料減少近一半，這是一個非?？捎^的數(shù)量，特別是 對于一個需要長途飛行數(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"航天器在金星上的主要任務(wù)結(jié)束時首次測試了大氣制動技 術(shù)，之后在多個火星探測器上成功使用了這項技術(shù)，如"火星全球勘測者"探測器、"火星氣 候"探測器、"火星奧德賽"探測器和"火星偵察"探測器等。傳統(tǒng)的大氣制動技術(shù)飛行時間 很長，基于磁流體控制技術(shù)的大氣制動方法可以提高大氣制動的效率，大大降低大氣制動 運行時間。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在提供一種基于磁流體控制的大氣制動方法，能夠大大降低大氣制動運 行時間，滿足未來深空探測的需求。
[0008] 為達成上述目的，本發(fā)明提供的基于磁流體控制的大氣制動方法，其步驟包括：1) 建立火星大氣密度近似模型；2)探測器稀薄氣體效應(yīng)下的阻力估計；3)制定大氣制動策 略；4)結(jié)合大氣制動動力學模型，確定磁場強度。
[0009] -些實施例中，所述步驟1)包括：1-1)基于測量數(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。
[0010] 一些實施例中，所述步驟2)包括：2-1)阻力系數(shù)估計；2-2)結(jié)合大氣密度模型和 阻力系數(shù)估計公式，建立阻力估計近似模型。
[0011] 一些實施例中，所述步驟3)中，在滿足約束條件下確定初始近火點的高度，約束條 件為：為了確保探測器不會撞擊火星表面，要求近地點高度不低于臨界值；啟動捕獲過程 中的過載須保證在探測器可承受的范圍；滿足熱控的需求，減速過程的熱流密度和加熱量 必須在探測器可承受的范圍；若探測器可產(chǎn)生升力，則必須保證近地點速度不能太大，導致 探測器跳出大氣。
[0012] 本發(fā)明采用基于磁流體控制的大氣制動方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點和有益效 果是：解決了大氣制動飛行時間過長的問題，并降低了大氣制動過程探測器所受的熱通量， 保證了探測器的安全運行。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯： 圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于磁流體控制的大氣制動方法流程圖； 圖2為探測器內(nèi)磁鐵不意圖； 圖3為實施大氣制動方法示意圖； 圖4為采用基于磁流體控制的大氣制動方法過程圖。
[0015]

【具體實施方式】
[0016] 參見示出本發(fā)明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以 許多不同形式實現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是 為了達成充分及完整公開，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)域的尺寸及相對尺寸。
[0017] 現(xiàn)參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明實施例的基于磁流體控制的大氣制動方法。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方法，通過探測器內(nèi)裝載的磁鐵產(chǎn)生的磁 場控制飛行器周圍的等離子流，從而誘導產(chǎn)生電流和洛倫茲力，洛倫茲力的反作用力作用 到探測器的電磁力引起的阻力和氣體力學阻力將使得使探測器大幅度減速(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 一 1)基于測量數(shù)據(jù)的大氣密度反演：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁流體控制的大氣制動方法，其特征在于，該方法步驟包括： 1) 建立火星大氣密度近似模型； 2) 探測器稀薄氣體效應(yīng)下的阻力估計； 3) 制定大氣制動策略； 4) 結(jié)合大氣制動動力學模型，確定磁場強度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體控制的大氣制動方法，其特征在于，所述步驟1) 包括： 1-1)基于測量數(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。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體控制的大氣制動方法，其特征在于，所述步驟2) 包括： 2- 1)阻力系數(shù)估計； 2-2)結(jié)合大氣密度模型和阻力系數(shù)估計公式，建立阻力估計近似模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體控制的大氣制動方法，其特征在于，所述步驟3) 中，在滿足約束條件下確定初始近火點的高度，約束條件為 ： 為了確保探測器不會撞擊火星表面，要求近地點高度不低于臨界值；啟動捕獲過程中 的過載須保證在探測器可承受的范圍；滿足熱控的需求，減速過程的熱流密度和加熱量必 須在探測器可承受的范圍；若探測器可產(chǎn)生升力，則必須保證近地點速度不能太大，導致探 測器跳出大氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體控制的大氣制動方法，其特征在于，所述的步驟 4)中，大氣制動動力學模型為：
其中：<5為經(jīng)度，東向為正；F為航跡角，速度矢量與瞬時當?shù)仄矫娴膬A角，水平面以上 為正；Z為航向角，速度矢量在當?shù)厮矫嫔贤队暗姆轿唤?，向北為正；Λ為緯度，赤道?方為正；Γ航天器的速度；Λ為探測器質(zhì)心至行星中心的距離
為行星自轉(zhuǎn)角速度。
【文檔編號】B64G1/62GK104249818SQ201310259305
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】王厚浩, 侯云億, 董豐, 譚天樂, 賀亮, 楊雨 申請人:上海新躍儀表廠