高速無(wú)動(dòng)力飛行器進(jìn)入地外大氣星球適應(yīng)性分析

宋重舉，白光輝，滕 銳，齊 征，馮岳鵬

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

0 引 言

太陽(yáng)系除水星外所有行星、土衛(wèi)六、木衛(wèi)二等表面都存在大氣層[1]，具備高速飛行器飛行的必要條件。地外大氣機(jī)動(dòng)飛行器具有重大的科學(xué)與工程價(jià)值，是各航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相研制的熱點(diǎn)，地外大氣飛行技術(shù)研究也是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的前沿領(lǐng)域。將地球臨近空間高動(dòng)態(tài)高機(jī)動(dòng)飛行技術(shù)原理應(yīng)用于地外大氣星球科學(xué)考察屬于世界原創(chuàng)概念，具有重大的科學(xué)與工程價(jià)值。

王燕[2]介紹了NASA 先進(jìn)概念研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種利用變形翼技術(shù)的火星大氣層進(jìn)入探測(cè)器；李旭東等[3]介紹了美國(guó)提出的一種基于機(jī)械展開(kāi)式結(jié)構(gòu)的金星進(jìn)入飛行器，該飛行器發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，進(jìn)入時(shí)展開(kāi)形成較大的氣動(dòng)面，可以顯著降低彈道系數(shù)、熱流密度、過(guò)載等；呂俊明等[4～6]針對(duì)火星探測(cè)器的高超聲速進(jìn)入問(wèn)題，分別考慮真實(shí)氣體模型和完全氣體模型，分析了模型和參數(shù)對(duì)氣動(dòng)力特性預(yù)測(cè)的影響，獲得了高效、可靠的火星進(jìn)入器氣動(dòng)力預(yù)測(cè)模型，對(duì)飛行器進(jìn)入火星大氣進(jìn)行了流場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)；張旭輝等[7]對(duì)無(wú)動(dòng)力情形的借火星引力輔助變軌進(jìn)行了研究，完成了火星探測(cè)軌道的設(shè)計(jì)。隨著深空探測(cè)研究的逐漸深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也從火星向其他星球擴(kuò)展[8,9]。

低升阻比地外飛行器方面[10～12]，已經(jīng)取得了以火星著陸器為代表的巨大進(jìn)展，但存在著陸成功率低，飛行巡視能力差等問(wèn)題；采用高升阻比高速飛行器可以在目標(biāo)星球大氣中水平飛行，充分利用大氣水平剖面減速緩降，并自主選擇著陸點(diǎn)，飛行探測(cè)時(shí)間大大增加，探測(cè)范圍將獲得質(zhì)的飛躍。

規(guī)則要求:在船艏或船兩側(cè)明顯處（如圖1、圖2），以及在船舶泵（機(jī)）艙內(nèi)壁明顯處（如圖3），按照一定的高度(分別為200mm100mm)和長(zhǎng)度比例將本船的IMONo凸焊或沖壓在上面，這樣船舶在海上遠(yuǎn)處就可以識(shí)別對(duì)方船舶。并且有效地防止船舶在海上被劫船。（如“昌盛”輪1998年23名船員被害，船舶被搶劫改名）

本文針對(duì)大氣星球探測(cè)任務(wù)及技術(shù)開(kāi)展研究，遴選出高速機(jī)動(dòng)飛行器進(jìn)入飛行探測(cè)的星球，以目標(biāo)星球大氣進(jìn)入飛行為切入點(diǎn)，從飛行動(dòng)力學(xué)的角度，分析高速無(wú)動(dòng)力飛行器在各地外大氣星球上機(jī)動(dòng)飛行的可行性。

1 地外星球擬平衡飛行條件分析

1.經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。報(bào)告提出：“轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式取得重大進(jìn)展，在發(fā)展平衡性、協(xié)調(diào)性、可持續(xù)性明顯增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和城鄉(xiāng)居民人均收入比2010年翻一番。”［1］

通過(guò)對(duì)行星的大氣組成、壓強(qiáng)、表面溫度、風(fēng)速等參數(shù)的分析[14～17]，開(kāi)展飛行技術(shù)研究，為后續(xù)的研究建立基礎(chǔ)。

Figure 3 demonstrated the fabrication procedure of a fully encapsulated capacitive sensor. This study provides a proof of concept for advanced fully encapsulated 3D printable devices. It also verified the utility of fully embedded bulk conductors interconnect21.

飛行器在飛行過(guò)程中所受到的升力和阻力主要與飛行器的外形參數(shù)、大氣密度和飛行速度相關(guān)。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的質(zhì)心動(dòng)力學(xué)矢量方程可知[18]：

式中GF 為作用在飛行器上的引力矢量，引力矢量可分解為重力和離心慣性力；R 為作用在飛行器上的氣動(dòng)力矢量； Pst為發(fā)動(dòng)機(jī)推力靜分量矢量；為附加相對(duì)力；為哥氏力；m 為飛行器質(zhì)量；r 為距離矢徑。計(jì)算公式如下：

車輛段回填面積為31.96萬(wàn)m2，填方高度約為3.7m，主要工程量有以下幾個(gè)部分，A、B組碎石土填料約54萬(wàn)m3，C組素土填料約58萬(wàn)m3，地下排水系統(tǒng)施工中天然級(jí)配中粗砂填料約21萬(wàn)m3，車輛段填方共量約133萬(wàn)m3。需要備選充足的高標(biāo)準(zhǔn)原材填料，從而保證施工的連續(xù)性。

飛行器受力示意如圖1 所示，計(jì)算當(dāng)?shù)貜椀纼A角近似為0°時(shí)飛行器飛行的平衡速度。將質(zhì)心動(dòng)力學(xué)矢量方程在升力方向分解簡(jiǎn)化，可得：

式中 L 為升力；V 為飛行器速度；m 為飛行器質(zhì)量；r 為星球地心到飛行器質(zhì)心的距離；g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；CL為升力系數(shù)；ρ 為大氣密度；Sref為飛行器參考面積。

圖1 飛行器受力示意Fig.1 Schematic Diagram of Aircraft Force

經(jīng)過(guò)火星探測(cè)器對(duì)火星的探測(cè)，火星大氣已經(jīng)建立了較為完備的密度數(shù)據(jù)庫(kù)模型。

由式（5）可知，飛行器利用三力實(shí)現(xiàn)平衡飛行。通過(guò)對(duì)飛行姿態(tài)的控制，調(diào)節(jié)飛行器表面氣動(dòng)力分布，使得氣動(dòng)力、離心力、重力三力趨于平衡，達(dá)到遠(yuǎn)距離飛行的目的。在飛行器外形確定和大氣分布已知的情況下，進(jìn)入速度和星球重力是影響飛行器擬平衡飛行高度的主要因素。因此本文針對(duì)地外行星進(jìn)行同等大氣密度各星球的等效高度計(jì)算和等效地球臨近空間高度進(jìn)行平衡速度計(jì)算，必須已知各星球的大氣密度分布。

太陽(yáng)系中擁有大氣層的地外天體主要包括擁有固態(tài)地表的類地天體金星、火星和土衛(wèi)六，以及類木行星木星、土星、天王星和海王星，即氣態(tài)行星[13]。這7 顆星球均擁有較為稠密的大氣，存在適合高速無(wú)動(dòng)力飛行的可能性。針對(duì)固態(tài)表面星球，采用高速高機(jī)動(dòng)高升阻比飛行器，可以通過(guò)多次可控的空間/大氣軌道變換，實(shí)現(xiàn)一次飛行任務(wù)完成星球全球電離層參數(shù)原位測(cè)試，具備全速域大氣機(jī)動(dòng)可控飛行能力，大幅度節(jié)約投放進(jìn)入地外星球所需能量，完成目標(biāo)星球表面大范圍飛行巡視/科學(xué)載荷投放。針對(duì)氣態(tài)表面行星，高速高機(jī)動(dòng)無(wú)動(dòng)力飛行器一方面可以實(shí)現(xiàn)類木星球大氣和宇宙空間之間的多次可控跳躍，反復(fù)進(jìn)入星球大氣進(jìn)行探測(cè)，每次進(jìn)入更深區(qū)域，直至動(dòng)能消耗殆盡，同時(shí)，也可以通過(guò)利用目標(biāo)星球大氣輔助變軌的方式從黃道面直接機(jī)動(dòng)進(jìn)入極軌軌道，極大降低目標(biāo)星球極軌探測(cè)器投放難度。

2 地外星球大氣密度計(jì)算

參考行星引力場(chǎng)中的大氣密度分布公式，可得到行星的大氣密度特性。

2.1 火星大氣密度

最終，轉(zhuǎn)化為大氣質(zhì)量密度 ρ( kg/m3)的公式為

常見(jiàn)的波爾茲曼方程為

在中國(guó)股市成立初期，由于受到國(guó)內(nèi)管制較多，中國(guó)股票市場(chǎng)與國(guó)際股市的相依性非常低，這一點(diǎn)已經(jīng)過(guò)多數(shù)學(xué)者的驗(yàn)證。因此，本文將樣本區(qū)間設(shè)置為2001年1月1日至2015年11月30日，數(shù)據(jù)頻率采用日度數(shù)據(jù)，研究數(shù)據(jù)來(lái)自雅虎財(cái)經(jīng)。

升力系數(shù)CL僅與馬赫數(shù)和雷諾數(shù)相關(guān)，由于飛行馬赫數(shù)相對(duì)較大，根據(jù)馬赫數(shù)無(wú)關(guān)定理，其對(duì)升力系數(shù)的影響可忽略；由于缺乏各大星球的溫度模型，粘性系數(shù)無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，因此忽略粘性效應(yīng)，即假設(shè)升力系數(shù)取定值。在不考慮真實(shí)氣體效應(yīng)、燒蝕等問(wèn)題的情況下，只要大氣密度接近，那么在同樣的飛行速度下，飛行器就具有相似的氣動(dòng)性能。

2.2 其他地外星球大氣密度計(jì)算

其他星球大氣密度計(jì)算通常通過(guò)大氣總分子數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？偡肿訑?shù)有3 種常用處理方法[19,20]，即玻耳茲曼氣體分布律（Boltzmann Formula，BF），Jeans 理論以及引入新的歸一化因子后得出的修正后的玻耳茲曼公式（Revise Boltzmann Formula，RBF）。用BF 計(jì)算行星大氣總分子數(shù)的結(jié)果是發(fā)散的；Jeans 理論的收斂速度非?？烨疫^(guò)程不連續(xù)；RBF 的收斂速度適宜，過(guò)程連續(xù)，計(jì)算結(jié)果合理。本節(jié)將給出除火星外其他地外大氣星球的大氣密度估算公式。其他星球的大氣密度沒(méi)有詳細(xì)的探測(cè)數(shù)據(jù)，可通過(guò)修正的玻爾茲曼方程對(duì)大氣分子密度n 進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得大氣密度。

式中 ρ0為地表大氣，ρ0= 1.474 × 1 0-2km/m3； hs為參考高度， hs= 8805.7 m 。

修正后的波爾茲曼方程為

根據(jù)常用的工程公式，火星大氣密度有簡(jiǎn)要的指數(shù)分布計(jì)算公式：

式中 n (0r) 為行星表面大氣密度；G 為萬(wàn)有引力常數(shù)，G=6.672×10-11（N·m-2）/kg2；k 為波爾茲曼常數(shù)，k=1.381×10-23J·K-1；MP為大氣平均分子量；m 為氣體分子質(zhì)量，； NA為阿伏伽德羅常數(shù)， NA= 6.022 × 1023；M 為行星質(zhì)量；T 為溫度；0r 為初始位置地心矢徑；r 為地心距離矢徑；h 為距離行星表面高度，為待求值。類地行星的表面高度以固態(tài)地表作為參考，類木行星由于沒(méi)有固態(tài)表面，其高度以各星球定義星球半徑處為高度零點(diǎn)。

3 進(jìn)入地外星球擬平衡飛行高度評(píng)估

為求得飛行極限高度，需要求得各個(gè)行星的第一宇宙速度。第一宇宙速度計(jì)算公式為

式中 M為飛行器質(zhì)量；R為飛行器與地心之間的距離。

本文使用移動(dòng)三維激光掃描儀（IMS 3D）快速獲取昆明路段綜合管廊的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)位密度分布均勻，拼接精度高。所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能更全面、準(zhǔn)確地描述地下綜合管廊的原貌，然后依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，實(shí)現(xiàn)了地下綜合管廊的三維可視化。

利用式（5）獲得極限高度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1[19,20]。

產(chǎn)業(yè)鏈金融服務(wù)不僅對(duì)于財(cái)務(wù)公司和企業(yè)集團(tuán)有重要意義，同時(shí)也是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)快速發(fā)展的有效手段，企業(yè)集團(tuán)需要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈金融與自身戰(zhàn)略規(guī)劃的結(jié)合。企業(yè)集團(tuán)需要明確財(cái)務(wù)公司的戰(zhàn)略定位，財(cái)務(wù)公司的未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是產(chǎn)業(yè)銀行，需要具備良好的產(chǎn)業(yè)金融功能，同時(shí)依據(jù)各個(gè)時(shí)期企業(yè)集團(tuán)的運(yùn)營(yíng)管理情況來(lái)確定產(chǎn)業(yè)鏈金融服務(wù)的方向，使財(cái)務(wù)公司的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)與企業(yè)集團(tuán)的戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃達(dá)成一致。財(cái)務(wù)公司還需要加強(qiáng)考評(píng)工作與風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制，不斷分析財(cái)務(wù)公司產(chǎn)業(yè)鏈金融的實(shí)施情況以及對(duì)企業(yè)集團(tuán)和其他企業(yè)的具體影響，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈金融的服務(wù)細(xì)節(jié)并提高財(cái)務(wù)公司的運(yùn)營(yíng)地位。

4月26日上午，十一屆全國(guó)人大常委會(huì)第二十六次會(huì)議在人民大會(huì)堂舉行聯(lián)組會(huì)議，專題詢問(wèn)國(guó)務(wù)院關(guān)于農(nóng)田水利建設(shè)工作情況。受國(guó)務(wù)院委托，水利部、發(fā)展改革委、財(cái)政部、國(guó)土資源部、農(nóng)業(yè)部、銀監(jiān)會(huì)等六部委負(fù)責(zé)人到會(huì)聽(tīng)取意見(jiàn)，回答詢問(wèn)（本期“特別關(guān)注”全文刊發(fā)）。這是全國(guó)人大常委會(huì)2012年舉行的第一次專題詢問(wèn)。受吳邦國(guó)委員長(zhǎng)委托，烏云其木格副委員長(zhǎng)主持會(huì)議。

表1 第一宇宙速度與極限高度Tab.1 The First Cosmic Speed and Extreme Height

各個(gè)行星參數(shù)如表2 所示。

表2 行星參數(shù)Tab.2 Parameters of the Planets

由式（5）可計(jì)算由極限高度至星球表面所對(duì)應(yīng)的飛行平衡速度。飛行高度與平衡速度之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 地外行星飛行器平衡飛行速度隨高度的變化Fig.2 The Change of Aircraft Balanced Flight Speed with Altitude

由圖2 可知，在飛行高度較低時(shí)，大氣密度較大，低速時(shí)飛行器的升力便較大，同時(shí)離心力較大，導(dǎo)致所需平衡速度較?。浑S著飛行高度的增加，密度降低，離心力變小，所需升力變大，平衡飛行速度也變大；隨著飛行速度達(dá)到了對(duì)應(yīng)的第一宇宙速度，其高度也達(dá)到了極限高度。同等飛行速度時(shí)，土星所需飛行高度最大，火星最??；同等飛行高度時(shí)，木星所需飛行速度最大；土衛(wèi)六隨飛行高度變化時(shí)，所需平衡速度變化相對(duì)緩和；在相同的飛行平衡高度下，金星、火星的飛行平衡速度與地球最為接近。

由于高速飛行器無(wú)動(dòng)力飛行，發(fā)動(dòng)機(jī)推力靜分量矢量為零；飛行過(guò)程中飛行器總質(zhì)量不變，附加相對(duì)力與哥氏力為零。

對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，30～50 km 的臨近空間飛行范圍在未來(lái)的戰(zhàn)略地位至關(guān)重要[21]，該范圍能夠?yàn)闄C(jī)動(dòng)飛行器提供足夠的氣動(dòng)力，同時(shí)空氣稀薄導(dǎo)致空氣阻力小，氣動(dòng)熱環(huán)境較為理想，是合理的飛行環(huán)境[22]。對(duì)比大氣密度的分布情況，可以大致分析出地外大氣星球等效的臨近空間高度分布范圍，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

其中表示個(gè)體標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣與子組Ey（y=1，2，…，r）決策矩陣DEy（y=1，2，…，r）之間的不一致性（曼哈頓距離）。

表3 地外大氣星球等密度高度計(jì)算Tab.3 Calculation of Isodensity Altitude of Extraterrestrial Atmospheric Stars

由表3 可知，太陽(yáng)系中除水星外，其余行星表面均存在與地球大氣臨近空間類似的大氣壓力、密度環(huán)境。等效地球30～50 km 的飛行范圍，金星由于稠密的大氣，導(dǎo)致其飛行高度較高，在55～65 km 高度以內(nèi)，且金星的酸性大氣環(huán)境對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)不利[14]；火星大氣密度僅為地球的百分之一，火星表面與地球大氣臨近空間30 km 的大氣壓力和密度幾乎一致，因此飛行高度較低，在23 km 以內(nèi)，傳統(tǒng)低升阻比飛行器進(jìn)入需大幅減速，否則會(huì)被大氣彈出，而高動(dòng)態(tài)高機(jī)動(dòng)飛行器的投放，需要很小的進(jìn)入角，只要能夠接觸到火星大氣就可以利用高升阻比外形、通過(guò)氣動(dòng)力將自己壓入目標(biāo)星球大氣深處，可以大幅度節(jié)約投放能量，高速無(wú)動(dòng)力飛行器非常適合在火星大氣中飛行；木星、土星、天王星、海王星、土衛(wèi)六低大氣高度下的大氣環(huán)境惡劣，探測(cè)飛行高度都較大，其中木星探測(cè)飛行高達(dá)345 km 以上。

4 進(jìn)入地外星球擬平衡飛行速度評(píng)估

通過(guò)計(jì)算已經(jīng)獲得了地外行星等效地球臨近空間高度以及星表重力，地外行星平衡飛行速度具體計(jì)算結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，金星、土星、天王星、海王星在對(duì)應(yīng)地球30 km 等效高度下，平衡飛行速度均接近2 km/s；木星由于星表重力大，平衡飛行速度較大，在3～12 km/s 范圍內(nèi)；火星與土衛(wèi)六平衡速度均較小，在1～2 km/s 左右。

表4 地外大氣星球擬平衡飛行速度計(jì)算Tab.4 Calculation of The Equilibrium Flight Speed of The Extraterrestrial Atmosphere

5 結(jié) 論

a）從飛行動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，高速無(wú)動(dòng)力飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)在各地外大氣星球（金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、土衛(wèi)六）上的機(jī)動(dòng)飛行。

b）由計(jì)算結(jié)果可知，太陽(yáng)系中除水星外，其余行星表面均存在與地球大氣臨近空間（距離地表30～50 km）類似的大氣壓力和密度環(huán)境。

總之，沒(méi)有愛(ài)的班級(jí)不是健康的班級(jí)。在班級(jí)管理過(guò)程中，只有融入愛(ài)，將班級(jí)中的每一位學(xué)生都視如己出，才有助于感化學(xué)生，讓學(xué)生感受到班級(jí)的溫暖，并在班級(jí)的影響下形成健康的心態(tài)，茁壯成成。因此，身為高中教師，我們也需要時(shí)刻關(guān)注班級(jí)中學(xué)生的狀態(tài)，針對(duì)那些可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的學(xué)生，要及時(shí)用愛(ài)感化他們，讓他們感受到教師對(duì)自己的愛(ài)，從而更積極地融入班級(jí)，努力學(xué)習(xí)文化知識(shí)，爭(zhēng)取成為社會(huì)的棟梁之才。

（2）現(xiàn)在散戶種植面積很小，主要都是由種植大戶承包。種植大戶們經(jīng)過(guò)多年的種植，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并且已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但是水稻和小麥的產(chǎn)量受天氣因素影響很大，尤其是雨水的影響，減產(chǎn)現(xiàn)象很普遍。近年種植成本也在增加，化肥農(nóng)藥價(jià)格上漲，但是糧食價(jià)格受市場(chǎng)影響較大，價(jià)格偏低，農(nóng)民的收益較低，甚至有虧損現(xiàn)象。

c）針對(duì)地外大氣星球進(jìn)入飛行探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)行了初步分析，采用地球臨近空間高速機(jī)動(dòng)飛行技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地外大氣星球的探測(cè)，飛行原理可行，為以后深空探測(cè)技術(shù)提供了新思路。