有大氣行星懸飛探測(cè)初步設(shè)想與可行性探討

邢卓異，馬玉偉，朱舜杰，白崇延

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引 言

深空探測(cè)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，在推動(dòng)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展方面具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著我國(guó)月球探測(cè)和火星探測(cè)的深入開展，我國(guó)已基本掌握了全部無人深空探測(cè)所采用的環(huán)繞探測(cè)、飛越探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)和采樣返回探測(cè)五類探測(cè)方式。這五類探測(cè)方式各自均具有一定的探測(cè)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著一定的約束和限制。如環(huán)繞探測(cè)和飛越探測(cè)雖能實(shí)現(xiàn)大范圍探測(cè)，但探測(cè)分辨率較低且無法實(shí)現(xiàn)就位探測(cè)；著陸探測(cè)雖能實(shí)現(xiàn)就位探測(cè)，但無法實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)探測(cè)；巡視探測(cè)雖能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的機(jī)動(dòng)探測(cè)，但受地形約束強(qiáng)，如果想要探測(cè)被探測(cè)天體的深坑、峽谷、高山等位置，受地形、地貌的約束暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)探測(cè)。

針對(duì)上述需求提出了一種全新的“懸飛探測(cè)”的探測(cè)方式。該探測(cè)方式是針對(duì)被探測(cè)天體存在大氣的環(huán)境特點(diǎn)，利用大氣環(huán)境實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在被測(cè)天體的“飛行”機(jī)動(dòng)，從而擺脫地形、地貌對(duì)探測(cè)器的強(qiáng)約束，理論上可實(shí)現(xiàn)對(duì)被探測(cè)星球任意感興趣位置的探測(cè)。懸飛探測(cè)器是一種全新的深空探測(cè)航天器，具有探測(cè)方式新、任務(wù)方式靈活、受地形地貌約束條件弱等特點(diǎn)，是對(duì)我國(guó)已掌握的深空探測(cè)中環(huán)繞探測(cè)、飛越探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)和采樣返回探測(cè)五類探測(cè)方式的有益補(bǔ)充。

懸飛探測(cè)器選取目前航空領(lǐng)域技術(shù)相對(duì)成熟的四旋翼為基線，針對(duì)懸飛探測(cè)器所面臨的航天環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性改造，如增加器地器間通信、增加被動(dòng)熱控措施、表貼太陽電池陣提供能源等，具體內(nèi)容不是本論文論述重點(diǎn)，另文給出。但由于航空的四旋翼飛行器是以地球大氣為飛行環(huán)境條件的，而懸飛探測(cè)器是在被探測(cè)的有大氣行星為飛行環(huán)境條件的，二者的差別較大。目前國(guó)內(nèi)外均暫無相關(guān)的研究成果可以證明懸飛探測(cè)器的任務(wù)可行性。

本文簡(jiǎn)要給出懸飛探測(cè)器典型任務(wù)工作設(shè)想，重點(diǎn)完成懸飛探測(cè)器的可行性約束條件分析，為懸飛探測(cè)器在深空探測(cè)的可行性研究提供理論依據(jù)。

1 懸飛探測(cè)器典型任務(wù)工作設(shè)想

本文針對(duì)懸飛探測(cè)器的輕巧、靈活、高機(jī)動(dòng)特性等任務(wù)特點(diǎn)，給出懸飛探測(cè)器的典型任務(wù)工作設(shè)想。

1）“空中投送”探測(cè)飛行方案

懸飛探測(cè)器安裝在進(jìn)入艙內(nèi)部，在進(jìn)入艙進(jìn)入到預(yù)定高度后打開進(jìn)入艙的降落傘，當(dāng)進(jìn)入艙的速度降低到一定速度時(shí)，進(jìn)入艙從頭部展開釋放懸飛探測(cè)器，如下圖所示。釋放后，懸飛探測(cè)器與環(huán)繞器通信，實(shí)現(xiàn)器地的通信。該方案由于無需軟著陸相關(guān)裝置，可為探測(cè)器系統(tǒng)節(jié)約較多重量。

圖1 “空中投送”探測(cè)飛行方案任務(wù)設(shè)想Fig.1 “Delivery” flight mission assumption

2）“哨兵”探測(cè)飛行方案

懸飛探測(cè)器與著陸器形成“懸飛探測(cè)器-著陸器”組合體，組合體按已掌握的著陸探測(cè)實(shí)現(xiàn)組合體著陸后，懸飛探測(cè)器與著陸器機(jī)械分離，懸飛探測(cè)器以著陸器為起飛平臺(tái)實(shí)現(xiàn)起飛，起飛后利用所攜帶的光學(xué)載荷或其他探測(cè)載荷進(jìn)行探測(cè)，如下圖所示。為著陸器或巡視器充當(dāng)“哨兵”，提供地形、地貌等環(huán)境條件。懸飛探測(cè)器與著陸器或巡視器通信，實(shí)現(xiàn)器地的通信。該方案與現(xiàn)有探測(cè)方式結(jié)合，工程可實(shí)現(xiàn)性最好。

圖2 “哨兵”探測(cè)飛行方案任務(wù)設(shè)想Fig.2 “Sentry” flight mission assumption

3）“編隊(duì)”探測(cè)飛行方案

采用前述“空中投送”方案或“哨兵探測(cè)方案”完成懸飛探測(cè)器在有大氣行星的釋放多個(gè)懸飛探測(cè)器進(jìn)行編隊(duì)飛行探測(cè)，如下圖所示。懸飛探測(cè)器間進(jìn)行信息共享和相互協(xié)同,從而可以完成單一探測(cè)器所不能完成的一項(xiàng)或多項(xiàng)復(fù)雜的空間任務(wù)。

圖3 “編隊(duì)”探測(cè)飛行方案任務(wù)設(shè)Fig.3 “Formation flight”flight mission assumption

2 可行性約束條件

2.1 動(dòng)力學(xué)建模

根據(jù)懸飛探測(cè)器的飛行原理定義懸飛探測(cè)器控制輸入如式（1）所示：

式中：ρ為被探測(cè)器天體的大氣密度；Ct為旋翼升力系數(shù)；Cd為旋翼阻力系數(shù)；ωi(i=1,2,3,4)為第i個(gè)旋翼的角速度。

懸飛探測(cè)器六自由度動(dòng)力學(xué)模型[7-8]基于以下假設(shè)：

1）地面坐標(biāo)系設(shè)定為慣性系；

2）假設(shè)懸飛探測(cè)器是剛體，懸飛探測(cè)器運(yùn)動(dòng)視為六自由度剛體運(yùn)動(dòng)；

3）由于懸飛探測(cè)器飛行高度較低，飛行距離不是特別遠(yuǎn)，因此視被探測(cè)天體表面為平面，并不考慮重力加速度隨飛行高度變化而變化；

4）不考慮被探測(cè)天體的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)影響；

化簡(jiǎn)后的懸飛探測(cè)器六自由度動(dòng)力學(xué)方程如式（2）所示

其中：?,θ,φ分別是懸飛探測(cè)器的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角；x,y,z分別是慣性坐標(biāo)系下的位置。

2.2 可行性約束條件

根據(jù)前節(jié)所建立動(dòng)力學(xué)模型，建立針對(duì)不同大氣環(huán)境、重力條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，確認(rèn)懸飛探測(cè)器與大氣等環(huán)境之間可行性的約束關(guān)系。

假設(shè)不考慮被探測(cè)天體出現(xiàn)大風(fēng)等極限天氣條件，懸飛探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)懸飛探測(cè)的基本條件為懸飛探測(cè)器能夠在被探測(cè)天氣懸停。即懸飛探測(cè)器4個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力合大于等于重力，如式（3）所示

由式（1）可知

即被探測(cè)器天體環(huán)境對(duì)懸飛探測(cè)器可行性的約束關(guān)系如式（5）所示

式中：m為懸飛探測(cè)器質(zhì)量；g為被探測(cè)器天體的重力加速度；ρ為被探測(cè)器天體的大氣密度；為旋翼升力系數(shù)；ωi(i=1,2,3,4)為第i個(gè)旋翼的角速度。

為了更加直觀的體現(xiàn)可行性約束條件，定義可行性系數(shù)R，定義為探測(cè)天體的重力系數(shù)/大氣密度與地球環(huán)境的重力系數(shù)/大氣密度比，如式（6）所示

式中：g為被探測(cè)器天體的重力加速度；g0為地球的重力加速度；ρ為被探測(cè)器天體的大氣密度；ρ0為地球的大氣密度。

相對(duì)而言，陸軍的BIM發(fā)展政策最為完善和系統(tǒng)化。 而其中起決定性作用的是美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì) (US Army Corps of Engineers，USACE)。 陸軍工程兵部隊(duì)為美國(guó)國(guó)防部下屬所有國(guó)內(nèi)和海外軍事設(shè)施提供工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、施工管理以及運(yùn)行維護(hù)服務(wù)。早在2006年10月，陸軍工程兵部隊(duì)下屬工程研究與發(fā)展中心 (Engineer Research and Development Center，ERDC) 制定并發(fā)布了未來15年的BIM發(fā)展路線規(guī)劃，承諾未來所有軍事建筑項(xiàng)目都使用BIM技術(shù)，其階段性的目標(biāo)和長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)見圖2。 這意味著BIM在軍事建筑領(lǐng)域?qū)⑷嫫占啊?/p>

由式（5）可知：

1）可行性系數(shù)R≤1，現(xiàn)在已有可在地球使用的四旋翼可用于懸飛探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；

2）可行性系數(shù)R＞1，

①現(xiàn)在已有可在地球使用的四旋翼無法直接用于被探測(cè)天體的探測(cè)；②可通過提高懸飛探測(cè)器的升力系數(shù)（正比關(guān)系）、減小懸飛探測(cè)器質(zhì)量（反比關(guān)系）和提高旋翼轉(zhuǎn)速（平方正比關(guān)系）等方式，解決懸飛探測(cè)器可行性的問題；③提高旋翼轉(zhuǎn)速雖然是最有效（平方正比關(guān)系）的解決懸飛探測(cè)器可行性的技術(shù)途徑，但旋翼轉(zhuǎn)速增大會(huì)帶來懸飛探測(cè)器所受阻力增大，通常漿尖馬赫數(shù)通常不大于0.8 Ma，在一定程度限制了懸飛探測(cè)器的可行性。

根據(jù)上述分析可知，太陽系內(nèi)土衛(wèi)六、金星的可行性系數(shù)R≤1，應(yīng)具有較好的探測(cè)條件；火星的可行性系數(shù)R＞1，現(xiàn)有地球使用的四旋翼飛行器應(yīng)無法直接應(yīng)用于火星探測(cè)。

3 仿真分析

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，太陽系內(nèi)有大氣行星主要包括金星、火星和土衛(wèi)六等，本文以土衛(wèi)6為被探測(cè)天體，開展仿真分析工作。

3.1 仿真分析初始條件

仿真分析初始條件如下表所示：

表1 動(dòng)力學(xué)仿真分析初始條件Table 1 Dynamic simulation analysis initial conditions

懸飛探測(cè)器初始狀態(tài)為原點(diǎn)位置懸停狀態(tài)，給定的飛行軌跡為螺旋上升曲線，如式（7）所示

3.2 控制算法說明

控制算法采用非線性動(dòng)態(tài)逆控制算法[1-2]，劃分成角速度回路、姿態(tài)角回路和位置回路。整個(gè)動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of dynamic inverse control system

3.3 仿真結(jié)果

懸飛探測(cè)器火星和土衛(wèi)6的環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)路徑仿真結(jié)果如圖1所示。懸飛探測(cè)器在金星、土衛(wèi)6和地球環(huán)境條件下的旋翼動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2所示。

圖5 懸飛探測(cè)器在土衛(wèi)6環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)路徑仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation results of motion path simulation on Saturn6

圖6 不同環(huán)境下懸飛探測(cè)器旋翼轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic response of rotational speed in different environment

從仿真結(jié)果可知：土衛(wèi)6具有良好的懸飛探測(cè)條件，現(xiàn)有地球環(huán)境四旋翼的機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)以及飛行控制率均能夠直接應(yīng)用到土衛(wèi)6的深空探測(cè)任務(wù)；

火星的大氣密度較為稀薄，通過目前的仿真結(jié)果看，旋翼轉(zhuǎn)速比地球環(huán)境旋翼轉(zhuǎn)速快5倍左右，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)約是地球的10倍左右，現(xiàn)有地球環(huán)境四旋翼的機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)以及飛行控制率無法直接應(yīng)用到火星的深空探測(cè)。

仿真結(jié)果與本論文3.2節(jié)所述的可行性約束條件分析的結(jié)果完全一致，證明了本文所給出的可行性約束條件理論正確性。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)深空探測(cè)任務(wù)中的被探測(cè)天體存在大氣的特點(diǎn)，提出了利用被探測(cè)天體大氣開展懸飛探測(cè)的全新探測(cè)形式。創(chuàng)新的提出了懸飛探測(cè)器開展懸飛探測(cè)的可行性系數(shù)，為懸飛探測(cè)器可行性研究提供理論依據(jù)，可作為后續(xù)懸飛探測(cè)器相關(guān)研究工作的參考。