磁阻尼对探测器火星降落过程的动力学效应

发布时间：2017-11-07 02:41

  本文关键词：磁阻尼对探测器火星降落过程的动力学效应

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【摘要】：较地球而言,火星的大气非常稀薄,平均压强只有700Pa[1],这使得探测器在进入火星后难以获得足够大的阻力,产生减速困难的问题。为了提供足够的飞行制动力。火星探测器需要携带大量的燃料来实施制动控制,这样就大幅增加火星探测器在地球表面的起飞重量,要求运载火箭具备更大的推力,导致许多火星探测设想因技术原因而不能实施。美国的火星探测器为了减少制动变轨的燃料消耗,在火星环绕轨道上采用气动阻尼技术(air-braking),通过环绕轨道近火点弧段的火星大气阻尼,减小飞行器的飞行速度,从而降低飞行器远火点的高度,逐渐使火星飞行器轨道成为环绕火星的圆轨道。本文对火星的大气环境进行估计,考虑高速进入的探测器与火星大气发生相互作用,由于探测器的飞行速度远大于火星大气中的声速,在探测器的前段将产生高马赫的激波(马赫数Ma约为20),高密度激波与来流气体分子间的剧烈摩擦将产生等离子体。此时,为了减少火星着陆探测器所携带的制动燃料,增大着陆器进入火星大气的减速度,可根据一定强度的磁场可与高速运动的等离子体发生相互作用,产生一定的阻力的原理,利用磁场达到增加阻力的效果,本文称之为磁阻尼效应。本文基于磁阻尼效应,提出在探测器火星降落过程中添加磁偶极场,利用磁阻尼效应提供额外的阻力,达到进一步减速的效果。添加的磁偶极场可将激波中的等离子体捕获,在火星大气降落过程中形成一个“磁泡”的类似结构,该“磁泡”区域跟随探测器一起运动。“磁泡”束缚的等离子体可与来流的高速中性气体发生碰撞,从而获得来流的动量;再通过带电粒子与磁场作用将动量传递给探测器本身,使探测器获得一定大小的阻力。该阻力将提供一定的减速效果,可进一步降低探测器的下降速度。本文初步设计了磁阻尼的减速装置,利用永磁体在探测器上添加一个较强的磁偶极场。分析发现在探测器表面磁场达到1T的条件下,磁阻尼在火星下降过程中可提供103N量级的阻力。在磁阻尼的作用下,相同的开伞高度探测器速度可降低至更低的马赫数,而开伞速度快慢对于开伞的安全性至关重要,低速开伞可极大提高阻力伞安全打开的可靠性。故本文认为磁阻尼可增加探测器火星降落过程中的阻力,磁阻尼对于提高探测器着陆火星的安全性与可靠性有很大的意义,可给未来探测器着陆火星过程中的减速措施提供一定的参考价值。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.4

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本文编号：1150519