高速无动力飞行器进入地外大气星球适应性分析

宋重举，白光辉，滕 锐，齐 征，冯岳鹏

（1.中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京，100076；2.北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

太阳系除水星外所有行星、土卫六、木卫二等表面都存在大气层[1]，具备高速飞行器飞行的必要条件。地外大气机动飞行器具有重大的科学与工程价值，是各航天强国争相研制的热点，地外大气飞行技术研究也是各国竞争的前沿领域。将地球临近空间高动态高机动飞行技术原理应用于地外大气星球科学考察属于世界原创概念，具有重大的科学与工程价值。

王燕[2]介绍了NASA 先进概念研究机构设计的一种利用变形翼技术的火星大气层进入探测器；李旭东等[3]介绍了美国提出的一种基于机械展开式结构的金星进入飞行器，该飞行器发射时处于折叠状态，进入时展开形成较大的气动面，可以显著降低弹道系数、热流密度、过载等；吕俊明等[4～6]针对火星探测器的高超声速进入问题，分别考虑真实气体模型和完全气体模型，分析了模型和参数对气动力特性预测的影响，获得了高效、可靠的火星进入器气动力预测模型，对飞行器进入火星大气进行了流场模拟预测；张旭辉等[7]对无动力情形的借火星引力辅助变轨进行了研究，完成了火星探测轨道的设计。随着深空探测研究的逐渐深入，其应用领域也从火星向其他星球扩展[8,9]。

低升阻比地外飞行器方面[10～12]，已经取得了以火星着陆器为代表的巨大进展，但存在着陆成功率低，飞行巡视能力差等问题；采用高升阻比高速飞行器可以在目标星球大气中水平飞行，充分利用大气水平剖面减速缓降，并自主选择着陆点，飞行探测时间大大增加，探测范围将获得质的飞跃。

规则要求:在船艏或船两侧明显处（如图1、图2），以及在船舶泵（机）舱内壁明显处（如图3），按照一定的高度(分别为200mm100mm)和长度比例将本船的IMONo凸焊或冲压在上面，这样船舶在海上远处就可以识别对方船舶。并且有效地防止船舶在海上被劫船。（如“昌盛”轮1998年23名船员被害，船舶被抢劫改名）

本文针对大气星球探测任务及技术开展研究，遴选出高速机动飞行器进入飞行探测的星球，以目标星球大气进入飞行为切入点，从飞行动力学的角度，分析高速无动力飞行器在各地外大气星球上机动飞行的可行性。

1 地外星球拟平衡飞行条件分析

1.经济持续健康发展。报告提出：“转变经济发展方式取得重大进展，在发展平衡性、协调性、可持续性明显增强的基础上，实现国内生产总值和城乡居民人均收入比2010年翻一番。”［1］

通过对行星的大气组成、压强、表面温度、风速等参数的分析[14～17]，开展飞行技术研究，为后续的研究建立基础。

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.

飞行器在飞行过程中所受到的升力和阻力主要与飞行器的外形参数、大气密度和飞行速度相关。根据质点在惯性坐标系中的质心动力学矢量方程可知[18]：

式中GF 为作用在飞行器上的引力矢量，引力矢量可分解为重力和离心惯性力；R 为作用在飞行器上的气动力矢量； Pst为发动机推力静分量矢量；为附加相对力；为哥氏力；m 为飞行器质量；r 为距离矢径。计算公式如下：

车辆段回填面积为31.96万m2，填方高度约为3.7m，主要工程量有以下几个部分，A、B组碎石土填料约54万m3，C组素土填料约58万m3，地下排水系统施工中天然级配中粗砂填料约21万m3，车辆段填方共量约133万m3。需要备选充足的高标准原材填料，从而保证施工的连续性。

飞行器受力示意如图1 所示，计算当地弹道倾角近似为0°时飞行器飞行的平衡速度。将质心动力学矢量方程在升力方向分解简化，可得：

式中 L 为升力；V 为飞行器速度；m 为飞行器质量；r 为星球地心到飞行器质心的距离；g 为当地重力加速度；CL为升力系数；ρ 为大气密度；Sref为飞行器参考面积。

图1 飞行器受力示意Fig.1 Schematic Diagram of Aircraft Force

经过火星探测器对火星的探测，火星大气已经建立了较为完备的密度数据库模型。

由式（5）可知，飞行器利用三力实现平衡飞行。通过对飞行姿态的控制，调节飞行器表面气动力分布，使得气动力、离心力、重力三力趋于平衡，达到远距离飞行的目的。在飞行器外形确定和大气分布已知的情况下，进入速度和星球重力是影响飞行器拟平衡飞行高度的主要因素。因此本文针对地外行星进行同等大气密度各星球的等效高度计算和等效地球临近空间高度进行平衡速度计算，必须已知各星球的大气密度分布。

太阳系中拥有大气层的地外天体主要包括拥有固态地表的类地天体金星、火星和土卫六，以及类木行星木星、土星、天王星和海王星，即气态行星[13]。这7 颗星球均拥有较为稠密的大气，存在适合高速无动力飞行的可能性。针对固态表面星球，采用高速高机动高升阻比飞行器，可以通过多次可控的空间/大气轨道变换，实现一次飞行任务完成星球全球电离层参数原位测试，具备全速域大气机动可控飞行能力，大幅度节约投放进入地外星球所需能量，完成目标星球表面大范围飞行巡视/科学载荷投放。针对气态表面行星，高速高机动无动力飞行器一方面可以实现类木星球大气和宇宙空间之间的多次可控跳跃，反复进入星球大气进行探测，每次进入更深区域，直至动能消耗殆尽，同时，也可以通过利用目标星球大气辅助变轨的方式从黄道面直接机动进入极轨轨道，极大降低目标星球极轨探测器投放难度。

2 地外星球大气密度计算

参考行星引力场中的大气密度分布公式，可得到行星的大气密度特性。

2.1 火星大气密度

最终，转化为大气质量密度 ρ( kg/m3)的公式为

常见的波尔兹曼方程为

在中国股市成立初期，由于受到国内管制较多，中国股票市场与国际股市的相依性非常低，这一点已经过多数学者的验证。因此，本文将样本区间设置为2001年1月1日至2015年11月30日，数据频率采用日度数据，研究数据来自雅虎财经。

升力系数CL仅与马赫数和雷诺数相关，由于飞行马赫数相对较大，根据马赫数无关定理，其对升力系数的影响可忽略；由于缺乏各大星球的温度模型，粘性系数无法进行计算，因此忽略粘性效应，即假设升力系数取定值。在不考虑真实气体效应、烧蚀等问题的情况下，只要大气密度接近，那么在同样的飞行速度下，飞行器就具有相似的气动性能。

2.2 其他地外星球大气密度计算

其他星球大气密度计算通常通过大气总分子数进行转换。总分子数有3 种常用处理方法[19,20]，即玻耳兹曼气体分布律（Boltzmann Formula，BF），Jeans 理论以及引入新的归一化因子后得出的修正后的玻耳兹曼公式（Revise Boltzmann Formula，RBF）。用BF 计算行星大气总分子数的结果是发散的；Jeans 理论的收敛速度非常快且过程不连续；RBF 的收敛速度适宜，过程连续，计算结果合理。本节将给出除火星外其他地外大气星球的大气密度估算公式。其他星球的大气密度没有详细的探测数据，可通过修正的玻尔兹曼方程对大气分子密度n 进行计算，进而获得大气密度。

式中 ρ0为地表大气，ρ0= 1.474 × 1 0-2km/m3； hs为参考高度， hs= 8805.7 m 。

修正后的波尔兹曼方程为

根据常用的工程公式，火星大气密度有简要的指数分布计算公式：

式中 n (0r) 为行星表面大气密度；G 为万有引力常数，G=6.672×10-11（N·m-2）/kg2；k 为波尔兹曼常数，k=1.381×10-23J·K-1；MP为大气平均分子量；m 为气体分子质量，； NA为阿伏伽德罗常数， NA= 6.022 × 1023；M 为行星质量；T 为温度；0r 为初始位置地心矢径；r 为地心距离矢径；h 为距离行星表面高度，为待求值。类地行星的表面高度以固态地表作为参考，类木行星由于没有固态表面，其高度以各星球定义星球半径处为高度零点。

3 进入地外星球拟平衡飞行高度评估

为求得飞行极限高度，需要求得各个行星的第一宇宙速度。第一宇宙速度计算公式为

式中 M为飞行器质量；R为飞行器与地心之间的距离。

本文使用移动三维激光扫描仪（IMS 3D）快速获取昆明路段综合管廊的三维点云数据，点位密度分布均匀，拼接精度高。所获取的点云数据能更全面、准确地描述地下综合管廊的原貌，然后依据点云数据建立三维模型，实现了地下综合管廊的三维可视化。

利用式（5）获得极限高度，计算结果见表1[19,20]。

产业链金融服务不仅对于财务公司和企业集团有重要意义，同时也是推动产业链上下游企业快速发展的有效手段，企业集团需要加强产业链金融与自身战略规划的结合。企业集团需要明确财务公司的战略定位，财务公司的未来发展方向应当是产业银行，需要具备良好的产业金融功能，同时依据各个时期企业集团的运营管理情况来确定产业链金融服务的方向，使财务公司的战略发展目标与企业集团的战略发展计划达成一致。财务公司还需要加强考评工作与风险管理机制，不断分析财务公司产业链金融的实施情况以及对企业集团和其他企业的具体影响，不断优化产业链金融的服务细节并提高财务公司的运营地位。

4月26日上午，十一届全国人大常委会第二十六次会议在人民大会堂举行联组会议，专题询问国务院关于农田水利建设工作情况。受国务院委托，水利部、发展改革委、财政部、国土资源部、农业部、银监会等六部委负责人到会听取意见，回答询问（本期“特别关注”全文刊发）。这是全国人大常委会2012年举行的第一次专题询问。受吴邦国委员长委托，乌云其木格副委员长主持会议。

表1 第一宇宙速度与极限高度Tab.1 The First Cosmic Speed and Extreme Height

各个行星参数如表2 所示。

表2 行星参数Tab.2 Parameters of the Planets

由式（5）可计算由极限高度至星球表面所对应的飞行平衡速度。飞行高度与平衡速度之间的关系如图2 所示。

图2 地外行星飞行器平衡飞行速度随高度的变化Fig.2 The Change of Aircraft Balanced Flight Speed with Altitude

由图2 可知，在飞行高度较低时，大气密度较大，低速时飞行器的升力便较大，同时离心力较大，导致所需平衡速度较小；随着飞行高度的增加，密度降低，离心力变小，所需升力变大，平衡飞行速度也变大；随着飞行速度达到了对应的第一宇宙速度，其高度也达到了极限高度。同等飞行速度时，土星所需飞行高度最大，火星最小；同等飞行高度时，木星所需飞行速度最大；土卫六随飞行高度变化时，所需平衡速度变化相对缓和；在相同的飞行平衡高度下，金星、火星的飞行平衡速度与地球最为接近。

由于高速飞行器无动力飞行，发动机推力静分量矢量为零；飞行过程中飞行器总质量不变，附加相对力与哥氏力为零。

对于地球来说，30～50 km 的临近空间飞行范围在未来的战略地位至关重要[21]，该范围能够为机动飞行器提供足够的气动力，同时空气稀薄导致空气阻力小，气动热环境较为理想，是合理的飞行环境[22]。对比大气密度的分布情况，可以大致分析出地外大气星球等效的临近空间高度分布范围，计算结果如表3 所示。

其中表示个体标准决策矩阵与子组Ey（y=1，2，…，r）决策矩阵DEy（y=1，2，…，r）之间的不一致性（曼哈顿距离）。

表3 地外大气星球等密度高度计算Tab.3 Calculation of Isodensity Altitude of Extraterrestrial Atmospheric Stars

由表3 可知，太阳系中除水星外，其余行星表面均存在与地球大气临近空间类似的大气压力、密度环境。等效地球30～50 km 的飞行范围，金星由于稠密的大气，导致其飞行高度较高，在55～65 km 高度以内，且金星的酸性大气环境对飞行器结构不利[14]；火星大气密度仅为地球的百分之一，火星表面与地球大气临近空间30 km 的大气压力和密度几乎一致，因此飞行高度较低，在23 km 以内，传统低升阻比飞行器进入需大幅减速，否则会被大气弹出，而高动态高机动飞行器的投放，需要很小的进入角，只要能够接触到火星大气就可以利用高升阻比外形、通过气动力将自己压入目标星球大气深处，可以大幅度节约投放能量，高速无动力飞行器非常适合在火星大气中飞行；木星、土星、天王星、海王星、土卫六低大气高度下的大气环境恶劣，探测飞行高度都较大，其中木星探测飞行高达345 km 以上。

4 进入地外星球拟平衡飞行速度评估

通过计算已经获得了地外行星等效地球临近空间高度以及星表重力，地外行星平衡飞行速度具体计算结果如表4 所示。由表4 可知，金星、土星、天王星、海王星在对应地球30 km 等效高度下，平衡飞行速度均接近2 km/s；木星由于星表重力大，平衡飞行速度较大，在3～12 km/s 范围内；火星与土卫六平衡速度均较小，在1～2 km/s 左右。

表4 地外大气星球拟平衡飞行速度计算Tab.4 Calculation of The Equilibrium Flight Speed of The Extraterrestrial Atmosphere

5 结 论

a）从飞行动力学的角度来看，高速无动力飞行器能够实现在各地外大气星球（金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、土卫六）上的机动飞行。

b）由计算结果可知，太阳系中除水星外，其余行星表面均存在与地球大气临近空间（距离地表30～50 km）类似的大气压力和密度环境。

总之，没有爱的班级不是健康的班级。在班级管理过程中，只有融入爱，将班级中的每一位学生都视如己出，才有助于感化学生，让学生感受到班级的温暖，并在班级的影响下形成健康的心态，茁壮成成。因此，身为高中教师，我们也需要时刻关注班级中学生的状态，针对那些可能会出现问题的学生，要及时用爱感化他们，让他们感受到教师对自己的爱，从而更积极地融入班级，努力学习文化知识，争取成为社会的栋梁之才。

（2）现在散户种植面积很小，主要都是由种植大户承包。种植大户们经过多年的种植，积累了很多经验，并且已基本实现机械化。但是水稻和小麦的产量受天气因素影响很大，尤其是雨水的影响，减产现象很普遍。近年种植成本也在增加，化肥农药价格上涨，但是粮食价格受市场影响较大，价格偏低，农民的收益较低，甚至有亏损现象。

c）针对地外大气星球进入飞行探测技术的应用范围进行了初步分析，采用地球临近空间高速机动飞行技术可实现对地外大气星球的探测，飞行原理可行，为以后深空探测技术提供了新思路。