高速無動力飛行器進入地外大氣星球適應性分析

宋重舉，白光輝，滕 銳，齊 征，馮岳鵬

（1.中國運載火箭技術研究院空間物理重點實驗室，北京，100076；2.北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

太陽系除水星外所有行星、土衛六、木衛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。地外大氣機動飛行器具有重大的科學與工程價值，是各航天強國爭相研制的熱點，地外大氣飛行技術研究也是各國競爭的前沿領域。將地球臨近空間高動態高機動飛行技術原理應用于地外大氣星球科學考察屬于世界原創概念，具有重大的科學與工程價值。

王燕[2]介紹了NASA 先進概念研究機構設計的一種利用變形翼技術的火星大氣層進入探測器；李旭東等[3]介紹了美國提出的一種基于機械展開式結構的金星進入飛行器，該飛行器發射時處于折疊狀態，進入時展開形成較大的氣動面，可以顯著降低彈道系數、熱流密度、過載等；呂俊明等[4～6]針對火星探測器的高超聲速進入問題，分別考慮真實氣體模型和完全氣體模型，分析了模型和參數對氣動力特性預測的影響，獲得了高效、可靠的火星進入器氣動力預測模型，對飛行器進入火星大氣進行了流場模擬預測；張旭輝等[7]對無動力情形的借火星引力輔助變軌進行了研究，完成了火星探測軌道的設計。隨著深空探測研究的逐漸深入，其應用領域也從火星向其他星球擴展[8,9]。

低升阻比地外飛行器方面[10～12]，已經取得了以火星著陸器為代表的巨大進展，但存在著陸成功率低，飛行巡視能力差等問題；采用高升阻比高速飛行器可以在目標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，飛行探測時間大大增加，探測范圍將獲得質的飛躍。

規則要求:在船艏或船兩側明顯處（如圖1、圖2），以及在船舶泵（機）艙內壁明顯處（如圖3），按照一定的高度(分別為200mm100mm)和長度比例將本船的IMONo凸焊或沖壓在上面，這樣船舶在海上遠處就可以識別對方船舶。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）

本文針對大氣星球探測任務及技術開展研究，遴選出高速機動飛行器進入飛行探測的星球，以目標星球大氣進入飛行為切入點，從飛行動力學的角度，分析高速無動力飛行器在各地外大氣星球上機動飛行的可行性。

1 地外星球擬平衡飛行條件分析

1.經濟持續健康發展。報告提出：“轉變經濟發展方式取得重大進展，在發展平衡性、協調性、可持續性明顯增強的基礎上，實現國內生產總值和城鄉居民人均收入比2010年翻一番。”［1］

通過對行星的大氣組成、壓強、表面溫度、風速等參數的分析[14～17]，開展飛行技術研究，為后續的研究建立基礎。

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.

飛行器在飛行過程中所受到的升力和阻力主要與飛行器的外形參數、大氣密度和飛行速度相關。根據質點在慣性坐標系中的質心動力學矢量方程可知[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力矢量； Pst為發動機推力靜分量矢量；為附加相對力；為哥氏力；m 為飛行器質量；r 為距離矢徑。計算公式如下：

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

飛行器受力示意如圖1 所示，計算當地彈道傾角近似為0°時飛行器飛行的平衡速度。將質心動力學矢量方程在升力方向分解簡化，可得：

式中 L 為升力；V 為飛行器速度；m 為飛行器質量；r 為星球地心到飛行器質心的距離；g 為當地重力加速度；CL為升力系數；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

經過火星探測器對火星的探測，火星大氣已經建立了較為完備的密度數據庫模型。

由式（5）可知，飛行器利用三力實現平衡飛行。通過對飛行姿態的控制，調節飛行器表面氣動力分布，使得氣動力、離心力、重力三力趨于平衡，達到遠距離飛行的目的。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。因此本文針對地外行星進行同等大氣密度各星球的等效高度計算和等效地球臨近空間高度進行平衡速度計算，必須已知各星球的大氣密度分布。

太陽系中擁有大氣層的地外天體主要包括擁有固態地表的類地天體金星、火星和土衛六，以及類木行星木星、土星、天王星和海王星，即氣態行星[13]。這7 顆星球均擁有較為稠密的大氣，存在適合高速無動力飛行的可能性。針對固態表面星球，采用高速高機動高升阻比飛行器，可以通過多次可控的空間/大氣軌道變換，實現一次飛行任務完成星球全球電離層參數原位測試，具備全速域大氣機動可控飛行能力，大幅度節約投放進入地外星球所需能量，完成目標星球表面大范圍飛行巡視/科學載荷投放。針對氣態表面行星，高速高機動無動力飛行器一方面可以實現類木星球大氣和宇宙空間之間的多次可控跳躍，反復進入星球大氣進行探測，每次進入更深區域，直至動能消耗殆盡，同時，也可以通過利用目標星球大氣輔助變軌的方式從黃道面直接機動進入極軌軌道，極大降低目標星球極軌探測器投放難度。

2 地外星球大氣密度計算

參考行星引力場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，轉化為大氣質量密度 ρ( kg/m3)的公式為

常見的波爾茲曼方程為

在中國股市成立初期，由于受到國內管制較多，中國股票市場與國際股市的相依性非常低，這一點已經過多數學者的驗證。因此，本文將樣本區間設置為2001年1月1日至2015年11月30日，數據頻率采用日度數據，研究數據來自雅虎財經。

升力系數CL僅與馬赫數和雷諾數相關，由于飛行馬赫數相對較大，根據馬赫數無關定理，其對升力系數的影響可忽略；由于缺乏各大星球的溫度模型，粘性系數無法進行計算，因此忽略粘性效應，即假設升力系數取定值。在不考慮真實氣體效應、燒蝕等問題的情況下，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性能。

2.2 其他地外星球大氣密度計算

其他星球大氣密度計算通常通過大氣總分子數進行轉換。總分子數有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 計算行星大氣總分子數的結果是發散的；Jeans 理論的收斂速度非常快且過程不連續；RBF 的收斂速度適宜，過程連續，計算結果合理。本節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有詳細的探測數據，可通過修正的玻爾茲曼方程對大氣分子密度n 進行計算，進而獲得大氣密度。

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

根據常用的工程公式，火星大氣密度有簡要的指數分布計算公式：

式中 n (0r) 為行星表面大氣密度；G 為萬有引力常數，G=6.672×10-11（N·m-2）/kg2；k 為波爾茲曼常數，k=1.381×10-23J·K-1；MP為大氣平均分子量；m 為氣體分子質量，； NA為阿伏伽德羅常數， NA= 6.022 × 1023；M 為行星質量；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地表作為參考，類木行星由于沒有固態表面，其高度以各星球定義星球半徑處為高度零點。

3 進入地外星球擬平衡飛行高度評估

為求得飛行極限高度，需要求得各個行星的第一宇宙速度。第一宇宙速度計算公式為

式中 M為飛行器質量；R為飛行器與地心之間的距離。

本文使用移動三維激光掃描儀（IMS 3D）快速獲取昆明路段綜合管廊的三維點云數據，點位密度分布均勻，拼接精度高。所獲取的點云數據能更全面、準確地描述地下綜合管廊的原貌，然后依據點云數據建立三維模型，實現了地下綜合管廊的三維可視化。

利用式（5）獲得極限高度，計算結果見表1[19,20]。

產業鏈金融服務不僅對于財務公司和企業集團有重要意義，同時也是推動產業鏈上下游企業快速發展的有效手段，企業集團需要加強產業鏈金融與自身戰略規劃的結合。企業集團需要明確財務公司的戰略定位，財務公司的未來發展方向應當是產業銀行，需要具備良好的產業金融功能，同時依據各個時期企業集團的運營管理情況來確定產業鏈金融服務的方向，使財務公司的戰略發展目標與企業集團的戰略發展計劃達成一致。財務公司還需要加強考評工作與風險管理機制，不斷分析財務公司產業鏈金融的實施情況以及對企業集團和其他企業的具體影響，不斷優化產業鏈金融的服務細節并提高財務公司的運營地位。

4月26日上午，十一屆全國人大常委會第二十六次會議在人民大會堂舉行聯組會議，專題詢問國務院關于農田水利建設工作情況。受國務院委托，水利部、發展改革委、財政部、國土資源部、農業部、銀監會等六部委負責人到會聽取意見，回答詢問（本期“特別關注”全文刊發）。這是全國人大常委會2012年舉行的第一次專題詢問。受吳邦國委員長委托，烏云其木格副委員長主持會議。

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

各個行星參數如表2 所示。

表2 行星參數Tab.2 Parameters of the Planets

由式（5）可計算由極限高度至星球表面所對應的飛行平衡速度。飛行高度與平衡速度之間的關系如圖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，大氣密度較大，低速時飛行器的升力便較大，同時離心力較大，導致所需平衡速度較小；隨著飛行高度的增加，密度降低，離心力變小，所需升力變大，平衡飛行速度也變大；隨著飛行速度達到了對應的第一宇宙速度，其高度也達到了極限高度。同等飛行速度時，土星所需飛行高度最大，火星最小；同等飛行高度時，木星所需飛行速度最大；土衛六隨飛行高度變化時，所需平衡速度變化相對緩和；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。

由于高速飛行器無動力飛行，發動機推力靜分量矢量為零；飛行過程中飛行器總質量不變，附加相對力與哥氏力為零。

對于地球來說，30～50 km 的臨近空間飛行范圍在未來的戰略地位至關重要[21]，該范圍能夠為機動飛行器提供足夠的氣動力，同時空氣稀薄導致空氣阻力小，氣動熱環境較為理想，是合理的飛行環境[22]。對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，計算結果如表3 所示。

其中表示個體標準決策矩陣與子組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算Tab.3 Calculation of Isodensity Altitude of Extraterrestrial Atmospheric Stars

由表3 可知，太陽系中除水星外，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、密度環境。等效地球30～50 km 的飛行范圍，金星由于稠密的大氣，導致其飛行高度較高，在55～65 km 高度以內，且金星的酸性大氣環境對飛行器結構不利[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，傳統低升阻比飛行器進入需大幅減速，否則會被大氣彈出，而高動態高機動飛行器的投放，需要很小的進入角，只要能夠接觸到火星大氣就可以利用高升阻比外形、通過氣動力將自己壓入目標星球大氣深處，可以大幅度節約投放能量，高速無動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、土衛六低大氣高度下的大氣環境惡劣，探測飛行高度都較大，其中木星探測飛行高達345 km 以上。

4 進入地外星球擬平衡飛行速度評估

通過計算已經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算結果如表4 所示。由表4 可知，金星、土星、天王星、海王星在對應地球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；火星與土衛六平衡速度均較小，在1～2 km/s 左右。

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

5 結 論

a）從飛行動力學的角度來看，高速無動力飛行器能夠實現在各地外大氣星球（金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、土衛六）上的機動飛行。

b）由計算結果可知，太陽系中除水星外，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境。

總之，沒有愛的班級不是健康的班級。在班級管理過程中，只有融入愛，將班級中的每一位學生都視如己出，才有助于感化學生，讓學生感受到班級的溫暖，并在班級的影響下形成健康的心態，茁壯成成。因此，身為高中教師，我們也需要時刻關注班級中學生的狀態，針對那些可能會出現問題的學生，要及時用愛感化他們，讓他們感受到教師對自己的愛，從而更積極地融入班級，努力學習文化知識，爭取成為社會的棟梁之才。

（2）現在散戶種植面積很小，主要都是由種植大戶承包。種植大戶們經過多年的種植，積累了很多經驗，并且已基本實現機械化。但是水稻和小麥的產量受天氣因素影響很大，尤其是雨水的影響，減產現象很普遍。近年種植成本也在增加，化肥農藥價格上漲，但是糧食價格受市場影響較大，價格偏低，農民的收益較低，甚至有虧損現象。

c）針對地外大氣星球進入飛行探測技術的應用范圍進行了初步分析，采用地球臨近空間高速機動飛行技術可實現對地外大氣星球的探測，飛行原理可行，為以后深空探測技術提供了新思路。