一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法与流程

本发明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。

背景技术

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技术领域，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。本发明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。

技术实现要素：

发明目的：为了快速分析火星探测飞行器运动的可行性，本发明提出了一种火星飞行器基于相似原理的适航性设计方法。本发明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，本发明采用的技术方案为：

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。

本发明相比现有技术，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为火星探测飞行器基于相似原理的适航性设计流程图；

图2为火星探测飞行器火星探测飞行器基适航性能分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

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，分析火星特殊的大气环境，探讨火星表面低大气密度，弱引力场等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，参考常规飞行器的分析工具，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。具体包括以下步骤。

图1为火星探测飞行器基于相似原理的适航性设计流程图，包括了火星-地球飞行器相似性准则的建立，模型数据获取，特性分析与适航性综合性能评估三部分。

1)火星-地球飞行器相似性准则的建立

与地球大气环境相比，火星大气层稀薄，主要成分是二氧化碳，其表面大气的密度约等于地球30km高空的大气密度值，这使得火星探测飞行器的升力明显不足，但幸运地是火星的质量只有地球的11％，重力值只有地球的五分之二，因此当飞行器速度达到一定值时，还是可以实现升重比的平衡。此外，火星大气中没有氧气，常规的涡轮发动机无法工作，必须采用火箭推进系统，这势必增加额外负载，不利于飞行器的巡航飞行任务，但庆幸的是火星大气的低密度使得飞行器阻力较小，小的推力就能满足飞行器推阻平衡的要求。

一般情况下，火星-地球相似性标准是有相同参数的流体在火星上的和地面上的值之间的比率。在大气再入过程中，热转移是任务成功的关键。在高马赫数时，用于在钝体型再入返回舱前的一个分离的正激波的相似性标准是由表2的关系确定，下标“1”，“2”表示在激波前面和后面的值，“e”是地球条件。

飞行器进升力(l)，气动阻力(d)和功率(n)的关系按火星与地球条件写的，它们的比例给出了相似性标准。

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)：

这是对层流模态，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；；对涡流(re＞500000)有：

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，这些相似性标准是无量纲的数字。由于火星大气中低的密度和低雷诺数，考虑地球飞行器，并与进行火星飞行器进行相似性标准分析。首先给出火星-地球大气某些特征的相似性标准如下表：

表1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。

当雷诺数相等时，即有雷诺数相似比值将表1中相似性标准代入式(6)，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，这里计算时，取特征速度为来流速度，特征长度为飞行器机翼弦长。是长度相似比，则机翼平面参考面积的相似比为在进行相似比缩放时，火星和地球飞行器的力之间应该也有一个相似性比值。由于这里假设雷诺数相等，则其气动特性也应近似相同，假定飞行器升力不存在不取决于雷诺数的情况，则有飞行器的推力相似比值为

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ares飞行器来说，如果应用缩放标准，将其缩放为微型飞行器，则有：

表2火星飞行器采用火星-地球相似性标准的结果

通过对比分析发现，地球上的微型飞行器可以用来对火星飞行器飞行状态进行近似模拟。

2)火星飞行器模型数据获取

火星飞行器运动与受到的力和力矩密切相关，完整的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，气动力可以通过气动分析得到，推力通过推进系统模型估算。

火星飞行器受到的气动力可以通过cfd方法或风洞实验得到，但是cfd方法和风洞实验存在耗时长或成本高的缺点。火星飞行器设计早期建模的主要目的是快速分析火星飞行器适航性，因此，需要一套快速的分析模型。本发明采用工程估算的方法来确定飞行器受到的气动力和力矩，能够在一定精度下，快速给出飞行器的受力情况。

此处采用面元法估算飞行器的受力情况，其基本思想是：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。

3)火星飞行器特性分析与适航性综合性能评估

飞行器在火星大气环境中巡航飞行，需在做水平直线运动的同时，保持飞行高度的准确性，并对其姿态角进行限制。另一方面，各个操纵舵面的偏转度都要尽量的小。首先，需要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。

本发明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，如图2所示，考虑飞行器进气道形变对静态平衡特性(飞行包线、配平舵面、迎角和推力)及动态特性(不稳定极点和右半平面零点)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。

由于火星探测飞行器体积小，质量轻，为实现对火星的科学探测，需要从地球发射，经历轨道转移和再入过程，在低密度低雷诺数的复杂火星大气环境下，完成机翼展开、下滑、拉平，自主飞行等过程，整个运动进程综合了航空航天领域的若干高技术领域，本发明采用相似性原理，分析火星与地球飞行器的类比关系，可以量化飞行器飞行环境、结构参数与飞行稳定性之间的相互关系，归纳火星大气环境下飞行器适航性的设计条件，为火星探测飞行器深入研究提供了较好的理论储备和技术支撑，同时能够快速分析火星探测飞行器运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。