火星飞行器推进系统多方案研究

发布时间：2020-09-17 16:16

　　火星飞行器不仅可以解决探测范围和测量精度的矛盾,也将在未来更进一步的采样返回、载人登陆等探测活动中发挥作用。作为飞行器的核心部分,推进系统需在各种工况下都能为飞行器提供充足的动力。火星和地球环境的巨大差异,将使得现有的任何一种航空宇航推进系统都不再完全适用。本文从就地资源利用(ISRU)的角度出发,结合具体的火星可用资源,提出了火星飞行器及其推进系统的总体设计方案;从飞行器总体参数设计的角度出发,针对每种方案评估了飞行器的能源与推力需求;结合火星大气参数,分析了火星环境下各种推进系统的理论性能范围,评估了飞行器和推进系统的参数匹配情况;最后作为对优选方案的进一步支撑和细化,开展了推进系统核心部件的总体设计工作。本文的主要结论为:同吸气式发动机、火箭发动机相比,螺旋桨具有最高的能量转化效率;综合考虑设计自由度、特征尺寸以及航程/载荷性能等多方面因素,以螺旋桨和火箭发动机为动力装置的固定翼飞机,是火星飞行器总体方案的最佳选项;使得液氧/甲烷火箭发动机取得最大理论比冲的余氧系数约0.8,当发动机总体参数水平较低时,仅需采用采用部分燃料用作冷却剂即可,且为了降低泵功率冷却剂流量应尽可能降低。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V476.4
【部分图文】：

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哈尔滨工业大学硕士学位论文(2) 火星固定翼飞行器固定翼飞行器具有同机身相对位置固定的机翼，并依靠机翼同空气的相对运动产生升力。关于火星固定翼飞机的研究最早开始于 1970 年代。美国喷气推进实验室(JPL借鉴了搭载肼燃料活塞发动机的高空无人机的工作原理，试图以等比例缩小的引擎为基础开发火星飞机，但以失败告终[12]。2004 年美国提出了“空中区域性环境探测计划”(ARES)[13]，并开展了原理样机的地面验证工作。该计划着眼于一次性的、大范围探测，以得到遥感卫星不易获得的高分辨图像数据。ARES 飞行器便是基于此目的设计的，其采用了翼身一体的气动布局，翼展 6.25m，机身长 4.45m，重量 113kg；能量方面，通过一次性 Li-SO电池为电子设备供电；动力方面，以双组元液体火箭发动机为动力装置，故该飞行器不可重复使用。飞行器由进入舱携带进入火星大气，在离地 8km 处同进入舱分离并减速下降，并在离地 2km 时进入巡航飞行状态，巡航速度 145m/s，飞行时间约 1 小时，航程最大可达 600km。ARES 飞行器的飞行效果和总体任务路线[14]如图1-2 所示。

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电子设备供电；动力方面，以双组元液体火箭发动机为动力装置，故重复使用。飞行器由进入舱携带进入火星大气，在离地 8km 处同进速下降，并在离地 2km 时进入巡航飞行状态，巡航速度 145m/s，飞时，航程最大可达 600km。ARES 飞行器的飞行效果和总体任务路线。图 1-2ARES 火星无人机及其总体任务路线16 年，日本宇航研究开发机构(JXAX)[15]等提出了一种以螺旋桨为动飞行器，如图 1-3 所示。其总重 4kg，翼展 2.45m，机翼面密度仅有 24想，该飞行器将以现有的高功重比薄膜锂离子电池(能量密度 118W源，单台螺旋桨推力约 2N，桨尖马赫数 0.8，巡航速度 60m/s，最目前，适用于火星太阳光谱特性的太阳能电池还处在论证阶段。

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图 1-4 火星滑翔机飞行示意图，旋翼飞行器依靠桨叶和空气动性强、可重复使用。由于火星研究的热点集中在共轴双旋翼学院 Suresh 等人提出的四旋翼1m，桨叶展弦比 6.94，可在火星，最高时速可达 72km/h。动力能，并通过直流无刷电机驱动旋助峡谷峭壁，成功模拟了火星大学 O’Brien 等人提出的共轴双m，有效载荷 10.8kg；动力方面大航时 39min，悬停时间约 1mi

【参考文献】