一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法技术

本发明专利技术公开了一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法，首先，采用相似性原理比较火星飞行环境数据与地球相关数据的区别，探讨火星表面各因素对火星探测飞行器运动过程的影响。然后，利用飞行的相似性原理，设计火星探测飞行器几何构型，估算火星探测飞行器模型数据，分析模型的稳定性，推导出火星探测飞行器推阻、升重、升阻平衡状态下所需的控制量，获得火星探测飞行器稳定飞行的边界条件，验证火星探测飞行器稳定飞行的可行性，完成火星探测飞行器适航性的分析与设计。本发明专利技术采用相似性原理研究火星探测飞行器的适航性问题可以确保火星探测飞行器任务完成，为工程的方案设计提供依据和参考，具有前瞻性和开拓性。

A seaworthiness design method for Mars aircraft based on similarity principle

The invention discloses a Mars aircraft airworthiness design method based on similarity principle first, the principle of similarity difference comparison of Mars and earth flight environment data of related data, to investigate the influence of various factors on the surface of Mars spacecraft motion of Mars exploration. Then, by using the similarity principle of flight design, Mars Exploration Rover geometry, estimation of Mars Exploration Rover model data, analysis of the stability of the model, derived from the Mars Exploration Rover, lift weight, thrust and drag the required amount of lift to drag control under the equilibrium state, for Mars Exploration Rover flight stability boundary conditions To verify the feasibility of Mars exploration, aircraft flight stability, complete the analysis and design of Aircraft Airworthiness of mars. The invention adopts the similar airworthiness principle study of Mars exploration rover can ensure that the Mars Exploration Rover Mission, and provides reference for the engineering design scheme, forward-looking and pioneering.

【技术实现步骤摘要】
一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法
本专利技术涉及一种火星探测飞行器的适航性设计方法，具体说就是采用相似原理分析火星探测飞行器的适航性，满足火星探测飞行器飞行条件、模型与控制作用的协同一致性需求。
技术介绍
在这八大行星中间，火星是最有可能具有生命的存在，这也是人类孜孜不倦对其进行探索的目的。目前，火星探测的方法主要采用火星轨道探测器或火星着陆探测器，如火星车等。卫星照片虽然越来越清晰，但绝大多数卫星拍回的火星照片都是纵向的，而火星探测飞行器可以按照地形起伏拍到火星横侧向的图片，譬如沟壑等，这些侧面的图片有助于人类寻找到一些极具价值的东西。此外，火星南部山区对火星探测车或火星登陆者来说非常危险，而且这些探测器也无法全面观察和测量火星的形貌。火星探测飞行器机动灵活，可以实现在火星表面起飞降落，也能轻松越过火星上的山脉，飞行范围甚至可达几千公里，大大扩展了探测器的观测范围。除此之外，火星探测飞行器可以装备相当完备的探测设备，包括摄像机、气体分析仪、大气层水分浓度测量仪等设备。经过长航时的飞行，人类既能客观真实地了解火星上的各种地质，特别是掌握火星的生态层分布情况；也能观测火星的岩石层和土壤层是否与地球类似；此外还能对火星大气的甲烷测定、磁场分布以及风场特性进行深入探究。总的来说，采用探测飞行器来探测火星有可能成为未来深空探测的研究方向之一，具有很强的前瞻性和带动性，综合了航天领域的若干高
，在未来它不仅可以用于火星探测，而且还能用于其它行星的科学探测研究上，对未来星际飞行、星际探测都有着重要的研究意义。从国内外文献调研情况来看，有相关工作针对地球飞行器的适航性问题进行研究，但对于火星飞行器适航性设计技术未见报道，具有较强的前瞻性和创新性。本专利技术采用相似性原理提出火星飞行器适航性设计方法，将外界环境、飞行条件与模型参数进行相似性比较，给出火星飞行器适航性设计流程，为火星探测飞行器的总体设计与稳定性分析提供好的设计方法。
技术实现思路
专利技术目的：为了快速分析火星探测飞行器运动的可行性，本专利技术提出了一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法。本专利技术采用相似性原理研究火星探测飞行器的适航性问题可以确保火星探测飞行器任务完成，为工程的方案设计提供依据和参考，具有前瞻性和开拓性。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法，包括以下步骤：步骤1，采用相似性原理比较火星飞行环境数据与地球相关数据的区别，分析火星特殊的大气环境，探讨火星表面各因素对火星飞行器运动过程的影响，确定火星飞行器采用的火星-地球相似性标准；步骤2，利用飞行的相似性原理，参考常规飞行器的分析工具，根据火星飞行器采用的火星-地球相似性标准设计火星飞行器几何构型，估算火星飞行器模型数据，分析模型的稳定性，推导出火星飞行器推阻、升重、升阻平衡状态下所需的控制量，获得火星探测飞行器稳定飞行的边界条件；步骤3，验证火星飞行器稳定飞行的可行性，完成火星飞行器适航性的分析与设计。优选的：所述步骤1中确定火星飞行器采用的火星-地球相似性标准的方法如下：步骤11，根据火星与地球条件确定火星飞行器进升力L、气动阻力D和功率N的相似性标准关系；其中，表示火星飞行器对地球飞行器的升力相似比值，表示火星对地球的大气密度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的速度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的升力系数相似比值，表示火星对地球的重力加速度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的阻力相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的阻力系数相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的推力功率相似比值；气动系数的比值从描述雷诺数对阻力和升力影响的关系中得到，假定升力不取决于雷诺数其中，CDE表示地球飞行器阻力系数，ReM表示火星飞行器的雷诺数，ReE表示地球飞行器的雷诺数；此公式表示对层流模态，对涡流Re＞500000有：步骤12，获取火星-地球大气特性相似性标准，根据雷诺数的计算公式：其中，Re表示雷诺数，ρ表示大气密度，V表示飞行速度，Lf表示飞行器长度，μ表示引力常数，当火星-地球雷诺数相等，雷诺数相似比值时，将火星-地球大气特性相似性标准代入雷诺数的计算公式，则有：其中，为火星飞行器对地球飞行器的特征速度相似比值，为火星飞行器对地球飞行器的特征长度的相似比值，表示火星对地球的动力学粘度相似比值，表示火星对地球的密度相似比值，表示火星对地球的运动学粘度相似比值；机翼平面参考面积的相似比为假定火星飞行器升力不存在不取决于雷诺数的情况，则有飞行器推力的相似比值为代入相似性比例，得到根据力的相似比，对重力有：故可得飞行器质量的相似比值近似认为火星飞行器和地球飞行器平均密度近似相等，则有其中ρM和ρE分别为火星和地球飞行器的平均密度；飞行器按比例缩放，则可设飞行器体积正比于长度的三次方，则有：代入求得对于飞行器来说，如果应用缩放标准，将其缩放为微型飞行器，得到火星飞行器采用的火星-地球相似性标准。优选的：步骤2中火星飞行器运动与受到的力和力矩密切相关，火星飞行器动力学模型还包括飞行器受到的力和力矩计算，飞行器受到的力包括气动力、推力和重力，气动力通过气动分析得到，推力通过推进系统模型估算。优选的：火星飞行器受到的气动力通过CFD方法或风洞实验得到。优选的：采用工程估算的方法来确定飞行器受到的气动力和力矩，得出飞行器的受力情况。优选的：采用面元法估算飞行器的受力情况：将飞行器的外形曲面划分成若干小曲面，对每个小曲面，采用一个小的平面四边形或三角形来代替，并用小平面上的气动力和力矩代替小曲面上的气动力，将这些面元上的气动力和力矩加起来，就是对总的气动力和力矩的估计值；面元法计算飞行器气动力首先要确定面元的几何参数，包括质心坐标、外法线矢量和面元面积，然后估算各个面元上的压强或者压力系数，最后将所有面元产生的气动力加起来，就得到了总的气动力。优选的：所述步骤3中验证火星飞行器稳定飞行的可行性，完成火星飞行器适航性的分析与设计方法：为火星飞行器进行建模，利用所得模型的数据分析其气动特性，并通过气动参数的分析了解其稳定性能和升力特性；采用相似性原理对火星飞行器平衡状态和动态特性进行折衷分析，考虑火星飞行器进气道形变对静态平衡特性及动态特性影响；应用灵敏度的分析策略探讨火星飞行器几何外形对飞行稳定性的影响，分析其与模型动态特性之间的内在关系，获得面向适航性分析的火星飞行器简化设计模型，进而采用间隙度量原理评估不同飞行区域内模型动态特性之间的相似性，依据相似性准则整合不同区域的模型，通过对火星飞行器适航性进行评估，实现火星飞行器在火星大气环境下运动的稳定性，满足火星飞行器的探测任务要求。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：在火星探测过程中，为选择效率最高的火星探测工具，需要对设计的火星探测飞行器进行模拟实验。然而，在地球上模拟火星大气和火星低重力条件是很困难的且成本很高，而如果利用雷诺相似准则，将火星和地球上雷诺数相同的飞行器对比，得到二者之间大小质量的相似性标准，并对飞行器稳定性和可控性进行分析。因此，采用相似性原理研究火星探测飞行器的适航性问题可以确保火星探测飞行器任务完成，为工程的方案设计提供依据和参考，具有前瞻性和开拓性。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用相似性原理比较火星飞行环境数据与地球相关数据的区别，分析火星特殊的大气环境，探讨火星表面各因素对火星飞行器运动过程的影响，确定火星飞行器采用的火星‑地球相似性标准；步骤2，利用飞行的相似性原理，参考常规飞行器的分析工具，根据火星飞行器采用的火星‑地球相似性标准设计火星飞行器几何构型，估算火星飞行器模型数据，分析模型的稳定性，推导出火星飞行器推阻、升重、升阻平衡状态下所需的控制量，获得火星探测飞行器稳定飞行的边界条件；步骤3，验证火星飞行器稳定飞行的可行性，完成火星飞行器适航性的分析与设计。

【技术特征摘要】
1.一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用相似性原理比较火星飞行环境数据与地球相关数据的区别，分析火星特殊的大气环境，探讨火星表面各因素对火星飞行器运动过程的影响，确定火星飞行器采用的火星-地球相似性标准；步骤2，利用飞行的相似性原理，参考常规飞行器的分析工具，根据火星飞行器采用的火星-地球相似性标准设计火星飞行器几何构型，估算火星飞行器模型数据，分析模型的稳定性，推导出火星飞行器推阻、升重、升阻平衡状态下所需的控制量，获得火星探测飞行器稳定飞行的边界条件；步骤3，验证火星飞行器稳定飞行的可行性，完成火星飞行器适航性的分析与设计。2.根据权利要求1所述火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法，其特征在于：所述步骤1中确定火星飞行器采用的火星-地球相似性标准的方法如下：步骤11，根据火星与地球条件确定火星飞行器进升力L、气动阻力D和推力功率N的相似性标准关系；其中，表示火星飞行器对地球飞行器的升力相似比值，表示火星对地球的大气密度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的速度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的升力系数相似比值，表示火星对地球的重力加速度相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的阻力相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的阻力系数相似比值，表示火星飞行器对地球飞行器的推力功率相似比值。气动系数的比值从描述雷诺数对阻力和升力影响的关系中得到，假定升力不取决于雷诺数其中，CDE表示地球飞行器阻力系数，ReM表示火星飞行器的雷诺数，ReE表示地球飞行器的雷诺数；此公式表示对层流模态，对涡流Re＞500000有：步骤12，获取火星-地球大气特性相似性标准，根据雷诺数的计算公式：其中，Re表示雷诺数，ρ表示大气密度，V表示飞行速度，Lf表示飞行器长度，μ表示引力常数，当火星-地球雷诺数相等，雷诺数相似比值时，将火星-地球大气特性相似性标准代入雷诺数的计算公式，则有：其中，为火星飞行器对地球飞行器的特征速度相似比值，为火星飞行器对地球飞行器的特征长度的相似比值，表示火星对地球的动力学粘度相似比值，表示火星对地球的密度相似比值，表示火星对地球的运动学粘度相似比值；机翼平面参考面积的相似比为假定火星飞行器升力不存在不取决于雷诺数的情况，则有于是飞行器推力的相似比值为代入相似性比例，得到根据力的相似比，对重力有：故可得飞行器质量相似比...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕斌，陈金宝，金飞腾，衣春轮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32