专利名称：一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法
技术领域：
本发明属于航天测控技术领域，涉及一种航天仪器的设计方法，特别涉及一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法。
背景技术：
火星浮空探测是目前世界各国火星探测的热点，主要原因是目前火星气象资料的探测仅有两种途径1)通过轨道器获取；2)通过巡弋器获取。以上两种方式，基本无法实现对火星中低层大气进行详细探测的目的，而这一空间，根据气象学经验，正是绝大部分有价值元素的分布空间。而浮空探测器所探测的区域大约在火表数米到数公里高度，正好弥补了以上的不足。相应的浮空探测器设计在过去20年中层出不穷。其中较为著名的有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空间科学大会上提出的FV概念；以及Levine在2003年提出的ARES。经过长期的研究，研究团队发现以往所有的有关火星的浮空探测器设计都有共同的缺点，就是浮空探测时间短且不可重复使用。具体说来，以ARES举例说明，该任务计划以数十亿美元的高昂代价获取仅仅2. 5-48个小时的数据，风险高，性价比低。

发明内容
本发明要解决的技术问题是本发明提供了一种在火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法。本发明针对火星表面稀薄大气，提出了一套火星表面浮空探测器与机械臂相结合的设计理论，是一种具有很强中国特色的浮空探测器设计，它可以对火星，或者其它类地星体，在同一地点或不同地点多次执行浮空探测任务。本发明具有可重复使用的特点，弥补了目前世界上所有针对火星浮空探测器的共同缺点一一探测任务时间短、次数低、风险高。实现了对火星表面在任务时段的可重复探测。为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法，包括以下步骤步骤一根据公开的火星表面气象模型设定浮空探测器起飞时的气象基线，包括起飞时的火星表面大气温度T，大气压力P,大气密度P ,风场信息W ；步骤二 利用步骤一中获取的火星表面气象模型及其所建立的气象基线，和公开的火星重力学参数建立在起飞时的浮空探测器气动模型；步骤三选择浮空探测器的材料和设计浮空探测器的尺寸，选择缆绳的材料和设计缆绳的长度，再根据步骤二建立的浮空探测器气动模型，由风场信息W的风向确定探测时的起飞攻角并由风场信息W的风速和起飞攻角确定升力；步骤四计算步骤三中所涉及的升力与浮空探测器和缆绳的质量和的大小差值，设计机械臂前端运动的线速度V以提供辅助升力用来补充差值；
步骤五根据机械臂前端线速度V分析机械臂臂长与旋转角速度；步骤六根据前面分析机械臂、浮空探测器和缆绳综合作用结果，校验浮空探测器系统设计，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和大于或等于浮空探测器和缆绳的重力则表明机械臂、浮空探测器和缆绳设计可行，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和小于浮空探测器和缆绳的重力则表明浮空探测器和缆绳选材计算有误，需要返回步骤三重新设计。本发明的优点和有益效果在于(I)通过上述计算过程得出适用于火星表面低密度大气的可重复使用浮空器的辅助升力提供装置——机械臂的明确臂长以及其末端线速度从而确定其前段角速度，以使其可以具备在火星大气不足以为浮空器提供足够升力时，为浮空器提供额外升力的能力。
(2)根据机械臂速度的变化，对浮空探测器的载荷重量可以在机械臂的工作区间内灵活调整。(3)由于浮空探测器的可重复使用性，对同一火星目标地点在某一区域内可以在理论上实现无限次数的勘测，对同一区域的不同时段可以实现根据浮空探测器放飞高度的不同的立体气象资料收集。


图1本发明放飞状态示意图；图2为本发明流程图。其中，A-浮空探测器；B-机械臂；C_可移动浮空探测器底座；D_缆绳。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明具体实施的技术方案是一种火星表面可重复使用浮空探测器系统，由浮空探测器A、机械臂B、缆绳D和可移动浮空探测器底座C组成。其中浮空探测器A可以是任意火星表面巡视器构成，仅需为机械臂B提供机电热接口即可。机械臂B与浮空探测器A之间通过缆绳D连结，浮空探测器A处于休眠状态时，浮空探测器A收拢于机械臂B上，当达到适当风速时，释放浮空探测器A，此刻机械臂B通过高速摆动以及对缆绳D的控制为浮空探测器A提供额外升力，实现浮空探测器A在低密度大气下的起飞，待浮空探测器A稳定后，实施科学探测。浮空探测器A回收时，通过机械臂B收拢缆绳D完成回收。其中，上述浮空探测器系统设计过程具体步骤如下步骤一根据公开的火星表面气象模型设定浮空探测器A起飞时的气象基线，包括起飞时的火星表面大气温度T (h)，大气压力P (h)，大气密度P (T)，风场信息W (h)。目前火星大气模型有很多，比如MGCM，本发明使用美国宇航局与欧空局共享的MarS-GRAM2000为设计基础数据。火星上大气的温度与气压都相对较低，其中大气温度在中层呈相对稳定的状态，在低层成线性下降趋势。该模型以6998. 208m为一个重要阶段T = -31. 0-0. 000998h (°C )① Ρ = 0· 699e_0. 00009h (kP α )②
权利要求
1.一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法，其特征在于所述浮空探测器系统由浮空探测器、缆绳、机械臂和可移动浮空探测器底座组成，所述设计方法包括以下步骤步骤一根据公开的火星表面气象模型设定浮空探测器起飞时的气象基线，包括起飞时的火星表面大气温度T，大气压力P,大气密度P ,风场信息W ；步骤二 利用步骤一中获取的火星表面气象模型及其所建立的气象基线，和公开的火星重力学参数建立在起飞时的浮空探测器气动模型；步骤三选择浮空探测器的材料和设计浮空探测器的尺寸，选择缆绳的材料和设计缆绳的长度，再根据步骤二建立的浮空探测器气动模型，由风场信息W的风向确定探测时的起飞攻角并由风场信息W的风速和起飞攻角确定升力；步骤四计算步骤三中所涉及的升力与浮空探测器和缆绳的质量和的大小差值，设计机械臂前端运动的线速度V以提供辅助升力用来补充差值；步骤五根据机械臂前端线速度V分析机械臂臂长与旋转角速度；步骤六根据前面分析机械臂、浮空探测器和缆绳综合作用结果，校验浮空探测器系统设计，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和大于或等于浮空探测器和缆绳的重力则表明机械臂、浮空探测器和缆绳设计可行，若浮空探测器和缆绳升力加上机械臂前端运动的线速度V提供辅助升力总和小于浮空探测器和缆绳的重力则表明浮空探测器和缆绳选材计算有误，需要返回步骤三重新设计。
2.根据权利要求1所述的一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法，其特征在于浮空探测器是由密度小于1. 2g/cm3，拉伸强度大于或等于3. 2Gpa的材料制作而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法， 其特征在于绳索是由密度小于O. 5g/cm3，拉伸强度大于或等于3Gpa的材料制作而成。
全文摘要
本发明属于航天测控技术领域，涉及一种航天仪器的设计方法，特别涉及一种火星表面可重复使用浮空探测器系统的设计方法。所述浮空探测器系统由浮空探测器、缆绳、机械臂和可移动浮空探测器底座组成，所述设计方法包括六个步骤完成，本发明的优点和有益效果在于，由于浮空探测器的可重复使用性，对同一火星目标地点在某一区域内可以在理论上实现无限次数的勘测，对同一区域的不同时段可以实现根据浮空探测器放飞高度的不同的立体气象资料收集。
文档编号G01V9/00GK102998717SQ201210489138
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者高冀, 陈颖, 杨哲, 赵志伟, 杜菲, 宋政吉 申请人:北京空间飞行器总体设计部