行星探测浮空系统及行星探测方法

技术领域

本发明涉及行星探测系统技术领域，尤其涉及一种行星探测浮空系统及行星探测方法。

背景技术

利用行星探测系统对行星大气环境原位探测及样本采集，对地形地貌进行探测与分析，是研究未知星球的重要工具，然而行星大气环境和表面地形的复杂性对行星探测器提出了很高的要求，现有的行星探测器主要采用地面探测车等，探测范围有限，且其越障能力有限，使用环境受到很大的限制。且由于探测器多为轮式结构，其机动性不足，若增加其结构的灵活性又会间接增大航天器尺寸，从而增加能耗成本，此外对行星表面大气环境探测也缺少长期稳定运行的工具。

行星探测浮空系统能够通过运载工具运送并部署在行星大气中，提供行星表面区域范围内大气或环境原位探测、地貌观测及样本采集等功能，相较于地面漫游探测，具备更大空间和时间尺度探测优势。此外由于地球平流层大气也较稀薄，与部分行星条件类似，也可以提供可控轨迹的平流层大气环境探测及目标监测等，具有广阔的应用前景。

因此，亟需一种实现高度可控制调节以及长期驻留的行星探测浮空系统。

发明内容

本发明提供一种行星探测浮空系统及行星探测方法，用以解决现有技术中的行星探测浮空系统稳定性差，可调节性差，导致难以控制调节高度以及长期驻留的缺陷，行星探测浮空系统实现高度可控制调节以及长期驻留。

本发明提供一种行星探测浮空系统，所述行星探测浮空系统包括浮空器，所述浮空器包括：

超压气球球体，所述超压气球球体包括主气囊和副气囊，所述副气囊在所述主气囊的内部；

吊舱，所述吊舱通过连接装置与所述超压气球球体连接，所述吊舱包括浮升气体气瓶；

气动集成翼，所述气动集成翼与所述吊舱连接；

其中，所述浮升气体气瓶通过第一充气装置与所述主气囊连通，所述副气囊通过第二充气装置与大气环境连通。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述浮空器还包括探测载荷，所述探测载荷与所述吊舱连接。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述吊舱还包括可收放连接装置，所述气动集成翼通过所述可收放连接装置与所述吊舱连接。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述吊舱还包括飞行控制单元，所述飞行控制单元与所述可收放连接装置连接；

所述飞行控制单元通过向所述可收放连接装置传输第一控制指令，控制所述可收放连接装置调整所述气动集成翼所处的高度位置。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述飞行控制单元分别与所述第一充气装置和所述第二充气装置电性连接；

所述飞行控制单元通过向所述第一充气装置传输第一控制指令，控制所述第一充气装置充入或抽取所述主气囊中的气体；

所述飞行控制单元通过向所述第二充气装置传输第二控制指令，控制所述第二充气装置充入或抽取所述副气囊中的气体。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述气动集成翼包括风场在线测量模块，所述风场在线测量模块设于所述气动集成翼的机身，所述风场在线测量模块用于采集所述气动翼机翼所在高度的风场信息；

所述风场在线测量模块与所述飞行控制单元电性连接，所述风场在线测量模块将所述风场信息传输至所述飞行控制单元；

所述飞行控制单元通过所述风场信息，控制所述可收放连接装置调整所述气动集成翼所处的高度位置。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述气动集成翼包括机翼(含副翼)、倒V型尾翼、气动翼控制模块和矢量推进器，所述倒V型尾翼包括方向舵和升降舵，所述飞行控制单元分别与所述气动翼控制模块和所述矢量推进器电性连接；

所述飞行控制单元通过所述矢量推进器，控制所述气动集成翼的飞行速度；

所述飞行控制单元通过所述气动翼控制模块，控制所述气动集成翼的飞行姿态；

其中，所述气动翼控制模块，用于通过改变所述机翼的偏转角，来控制所述气动集成翼的滚转，并通过改变所述方向舵和所述升降舵的舵偏角来控制所述气动集成翼的俯仰和偏航；

所述矢量推进器用于增大所述气动集成翼的推进动力进行主动调节姿态。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，所述主气囊由复合织物材料焊接而成，所述复合织物材料的性能包括气密性高、耐行星高温以及防腐蚀，所述主气囊的外表面涂覆防腐蚀涂层；

所述浮升气体气瓶内的气体包括氦气或氢气。

根据本发明提出的一种行星探测浮空系统，副气囊采用耐高温织物材料。

本发明还提供一种行星探测方法，所述行星探测方法应用于上述的行星探测浮空系统，包括：

获取行星大气层中不同高度所在的风层的密度差或风速差；

基于所述密度差或所述风速差，调节所述可收放连接装置的长度，以供所述气动集成翼利用所述密度差或所述风速差对所述超压气球球体起到牵引或平衡的作用，引导所述行星探测浮空系统按照规划轨迹飞行；

其中，所述超压球球体的高度位置高于所述气动集成翼。

本发明提供的行星探测浮空系统，该行星探测浮空系统包括浮空器，浮空器包括超压气球球体、吊舱和气动集成翼，超压气球球体包括主气囊和副气囊，副气囊置于主气囊的内部，吊舱与超压气球球体连接，吊舱包括用于存储气体的浮升气体气瓶，气动集成翼与吊舱的下部连接，吊挂于吊舱，浮升气体气瓶通过第一充气装置与主气囊连通，副气囊通过第二充气装置与大气环境连通，主气囊通过内部填充浮升气体的浮升气体气瓶并可保持一定压差，内部填充空气的副气囊，通过第一充气装置调节主气囊内的气体以及第二充气装置调节副气囊内的气体，实现任意调节超压气球球体浮力及浮空器高度，由此浮空器系统实现高度可控制调节以及长期驻留。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的行星探测浮空系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的行星探测浮空系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的行星探测浮空系统的气动集成翼在滚转角为90度时的姿态示意图；

图4是本发明提供的行星探测浮空系统的气动集成翼在滚转角为0度时的姿态示意图。

附图标记：

超压气球球体1；主气囊11；副气囊12；吊舱2；浮升气体气瓶21；可收放连接装置22；飞行控制单元23；气动集成翼3；风场在线测量模块31；机翼(含副翼)32；倒V型尾翼33；气动翼控制模块34；矢量推进器35；连接装置4；第一充气装置5；第二充气装置6。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图4描述本发明的浮空器。

请参照图1，本发明提出的行星探测浮空系统，行星探测浮空系统包括浮空器，所述浮空器包括：

超压气球球体1，所述超压气球球体1包括主气囊11和副气囊12，所述副气囊12在所述主气囊11的内部；

吊舱2，所述吊舱通过连接装置4与所述超压气球球体1连接，所述吊舱2包括浮升气体气瓶21；

气动集成翼3，所述气动集成翼3与所述吊舱2连接；

其中，所述浮升气体气瓶21通过第一充气装置5与所述主气囊11连通，所述副气囊12通过第二充气装置6与大气环境连通。

吊舱可以下挂气动集成翼，也可以是小型无人机。浮升气体气瓶和主气囊内部充填浮升气体，如氦气或氢气，提供在行星大气中飞行的充足的浮力。

可以理解的是，吊舱通过连接装置与超压气球球体连接，通常来说，吊舱的重量比超压气球球体大，吊舱通常吊挂于超压气球球体的底部。连接装置用于固定连接超压气球球体和吊舱，连接装置可以是缆绳。

第一充气装置用于利用浮升气体气瓶调节主气囊中气体压力和质量，将浮升气体气瓶中的气体抽取进主气囊或者将主气囊中的气体抽取出来；第二充气装置用于利用大气环境调节副气囊中气体压力和质量，将大气环境中的气体抽取进副气囊或将副气囊中的气体抽取出大气环境中。其中，第一充气装置和第二充气装置可以是电子式的可抽取气体阀门。

主气囊通过第一充气装置与吊舱内的浮升气体气瓶连通，通过第一充气装置充入气体或回收浮升气体。在主气囊内部，副气囊安装有第二充气装置，通过第二充气装置往副气囊内充入气体或放出气体，以控制整个系统的高度。主气囊连通的浮升气体气瓶可为其适当补充及回收浮升气体，白天温度高，浮升气体膨胀，根据设定的压差排出浮升气体储存到气瓶中，夜间温度下降，主气囊与外界压差降低可从气瓶补充浮升气体到主气囊，从而使浮空器保持一定的浮力和高度。

主气囊下方通过第一充气装置和吊舱的浮升气体气瓶连接，方便控制浮升气体的充放，实现浮升气体资源可循环利用。

第二充气装置可以安装在副气囊底部，与行星大气环境连通，通过控制第二充气装置，调节副气囊内部大气的压力和重量，从而辅助实现浮空器系统的浮力和高度控制。

浮空器运行的原理如下：利用行星大气层中不同高度所在的风层的较大的密度差或风速差，其中超压球球体位于较高高度，通过与超压球球体连接的吊舱及连接的气动集成翼位于较低高度，两个部分所在高度可以根据部署的行星大气的风层的风速和密度相差关系，高度相差几公里到几十公里，气动集成翼利用较大的密度差或风速差对处于较高高度的主气囊起到较强的牵引或平衡的作用，引导浮空器整体系统按照规划轨迹飞行。

由于采用可储存浮升气体的气瓶与主气囊连通，可实现浮力的调节和补充，满足长期驻空探测的飞行需求，同时增加副气囊作为浮力和高度调节的辅助控制手段。

为了便于理解，下面提出一种调节主副气囊囊体整体高度调节的工作原理的说明：

囊体整体高度调节工作原理：进入夜间后，浮空器主气囊内部气体的超热降低，浮空器高度降低，若飞行高度低于设定高度范围，由飞行控制单元发出指令，则控制第一充气装置，打开浮升气体阀门，向主气囊充入气体，浮力增加，使浮空器主囊体高度恢复设定高度；白天受太阳照射，主气囊内部气体超热较高，浮空器高度上升，若浮空器飞行高度高于设定高度范围，由飞行控制单元发出指令，则通过第二充气装置，充入行星大气，浮力减小，浮空器高度降低。

本实施例提供的浮空器及行星探测浮空器系统，浮空器包括超压气球球体、吊舱和气动集成翼，超压气球球体包括主气囊和副气囊，副气囊置于主气囊的内部，吊舱与超压气球球体连接，吊舱包括用于存储气体的浮升气体气瓶，气动集成翼与吊舱的下部连接，吊挂于吊舱，浮升气体气瓶通过第一充气装置与主气囊连通，副气囊通过第二充气装置与大气环境连通，主气囊通过内部填充浮升气体的浮升气体气瓶并可保持一定压差，内部填充空气的副气囊，通过第一充气装置调节主气囊内的气体以及第二充气装置调节副气囊内的气体，实现任意调节超压气球球体浮力及浮空器高度，由此浮空器系统实现高度可控制调节以及长期驻留。

在一种实施例中，所述浮空器还包括探测载荷，所述探测载荷与所述吊舱连接。其中，探测载荷用于对行星大气和地貌的探测，进一步地，探测载荷可以包括全景摄像机和/或化学成像设备和/或增益天线。

在一种实施例中，所述主气囊由复合织物材料焊接而成，所述复合织物材料的性能包括气密性高、耐行星高温以及防腐蚀，所述主气囊的外表面涂覆防腐蚀涂层；

所述浮升气体气瓶内的气体包括氦气或氢气。

可以理解的是，超压球球体主气囊材料为气密性较高的耐高、温耐行星高温以及防腐蚀的复合织物材料，由复合织物材料焊接而成，复合织物材料可以是尼龙织物材料。浮升气体气瓶内的气体包括氦气或氢气，主气囊内可以充填氦气或氢气，主气囊蒙皮外表面涂覆防腐蚀涂层，能够防行星大气中酸雨腐蚀，适应金星高温高酸等不同行星大气环境。

在一种实施例中，主气囊采用耐高温的织物材料，适应高温等不同行星大气环境中飞行，副气囊可以采用耐高温织物材料。

在一种实施例中，请参照图2，所述吊舱2还包括可收放连接装置22，所述气动集成翼3通过所述可收放连接装置22与所述吊舱2连接。

可以理解的是，可收放连接装置用于调节气动集成翼的位置，通过收放其中的连接部件来调节气动集成翼在行星大气层中的位置。可收放连接装置可以是带收放绳索的绞盘，绞盘包括可调节长度的绳索。

可收放连接装置的一端连接吊舱，另一端连接气动集成翼。

本实施例采用可收放连接装置下挂气动集成翼，利用气动集成翼和主气囊所在风场的相对风速变化进行飞行轨迹的调整，简单可靠，耗能小。

进一步地，吊舱悬挂在主气囊下部，吊舱外部布设太阳电池阵以及内部设置有储能电池，利用太阳电池阵进行太阳能发电，并通过储能电池存储多余的电能供夜间使用，吊舱内部还可以安装飞行所需的仪器设备和探测载荷。

在一种实施例中，请参照图2，所述吊舱2还包括飞行控制单元23，所述飞行控制单元23与所述可收放连接装置22电性连接；

所述飞行控制单元23通过向所述可收放连接装置22传输第一控制指令，控制所述可收放连接装置22调整所述气动集成翼3所处的高度位置。

可以理解的是，飞行控制单元可以设置于吊舱中，飞行控制单元与可收放连接装置电性连接。飞行控制单元通过向可收放连接装置传输第一控制指令，控制可收放连接装置收放连接部件调整气动集成翼所处的高度位置，调整气动集成翼所处的风层高度位置，实现使气动集成翼处于主动轨迹控制的有利风场中。

在一种实施例中，所述飞行控制单元23分别与所述第一充气装置5和所述第二充气装置6电性连接；

所述飞行控制单元23通过向所述第一充气装置5传输第一控制指令，控制所述第一充气装置5充入或抽取所述主气囊11中的气体；

所述飞行控制单元23通过向所述第二充气装置6传输第二控制指令，控制所述第二充气装置6充入或抽取所述副气囊12中的气体。

可以理解的是，飞行控制单元还分别与第一充气装置和第二充气装置电性连接，控制第一充气装置和第二充气装置进行抽取或充入气体。

利用行星大气层中不同高度所在的风层的较大的密度差或风速差，其中超压球球体位于较高高度，通过飞行控制单元控制第一充气装置充入或抽取主气囊中的气体以及控制第二充气装置充入或抽取副气囊中的气体，实现整体调节超压球球体的密度，主气囊连通的气瓶可为其适当补充及回收浮升气体，白天温度高，浮升气体膨胀，根据设定的压差排出浮升气体储存到气瓶中，夜间温度下降，主气囊与外界压差降低可从气瓶补充浮升气体到主气囊，从而使超压球球体保持一定的浮力和高度。

在一种实施例中，请参照图2，所述气动集成翼3包括风场在线测量模块31，所述风场在线测量模块31设于所述气动集成翼的机身，所述风场在线测量模块31用于采集所述气动翼机翼3所在高度的风场信息；

所述风场在线测量模块31与所述飞行控制单元23电性连接，所述风场在线测量模块31将所述风场信息传输至所述飞行控制单元23；

所述飞行控制单元23通过所述风场信息，控制所述可收放连接装置22调整所述气动集成翼3所处的高度位置。

风场在线测量模块可以安装在气动集成翼的头部，通过信号缆将测得的风场信息反馈给吊舱的飞行控制单元。飞控单元根据实时测得的风场信息判断是否需要调整气动翼的整体高度，进而通过向可收放连接装置传输第一控制指令，控制可收放连接装置收放连接部件调整气动集成翼所处的高度位置，调整气动集成翼所处的风层高度位置，实现根据不同风层使气动集成翼处于主动轨迹控制的有利风场中。

本实施例，可根据实时监测的风场信息主动调节气动集成翼的所在风场高度和所在风场的姿态，通过对风场信息的充分利用，实现气动翼在适宜风场的气动引导作用，保证行星浮空探测系统的主动轨迹控制。

在一种实施例中，请参照图2，所述气动集成翼3包括机翼(含副翼)32、倒V型尾翼33、气动翼控制模块34和矢量推进器35，所述飞行控制单元23分别与所述气动翼控制模块34和所述矢量推进器35电性连接；

所述飞行控制单元23通过所述矢量推进器35，控制所述气动集成翼3的飞行速度；

所述飞行控制单元23通过所述气动翼控制模块34，控制所述气动集成翼3的飞行姿态；

其中，所述气动翼控制模块34，用于通过改变所述机翼32的偏转角，来控制所述气动集成翼3的滚转，并通过改变所述方向舵和所述升降舵的舵偏角来控制所述气动集成翼3的俯仰和偏航；

所述矢量推进器35用于增大所述气动集成翼3的推进动力进行主动调节姿态。

风场在线测量模块将实时测量的风场信息反馈给安装在吊舱的飞行控制单元，飞行控制单元根据实时风场信息和规划轨迹，决定气动集成翼的姿态，并传达动作指令到机体上的气动翼控制模块，改变气动集成翼的副翼、方向舵升降舵及机体的旋转角度，实现集成翼在当前风层的有利飞行，从而引导整个行星浮空探测系统在大气中按规划轨迹飞行。

进一步地，气动集成翼还包括机体、机翼(含副翼)和倒V型尾翼，机翼是产生升力的主要部件，倒V型尾翼上有方向舵和升降舵。气动翼控制模块分别与机体、机翼和尾翼电性连接，气动翼控制模块通过控制机身、机翼和尾翼，实现集成翼在当前风层的有利飞行，以及改变飞行姿态。

改变机翼的偏转角可控制集成翼的滚转，而控制气动集成翼的俯仰和偏航则需要同时改变方向舵和升降舵的舵偏角，两舵同时上偏或同时下偏起升降舵作用，偏转方向相反时起方向舵作用。矢量推进器可以安装在机体尾部，可以在适当的时候增大气动集成翼的推进动力进行主动调节气动集成翼的姿态。

气动集成翼主要由集成翼机翼，副翼，V型尾翼，舵面，集成翼机身，矢量推进器，风场在线测量模块，气动翼控制模块组成。集成翼机翼、V型尾翼和矢量推进器安装在机身上，风场在线测量模块安装在机身的前方，气动翼控制模块在机身内部。气动翼机翼所在高度的风场，施加在机翼和尾翼上，经机身和可调节绳索将气动集成翼产生的气动力传递至浮空器系统，吊舱内飞控单元的指令传达到机体内的控制模块上，结合风场在线测量模块测得的风场，通过机身内的控制模块开启或关闭矢量推进器，矢量推进器将螺旋桨推进力作用于机身，改变机身的飞行速度、姿态等，从而实时将飞行产生的气动力传递至浮空器探测系统；气动翼机翼与矢量推进器协同推进，满足浮空器系统水平面内的姿态控制要求；机身内的控制模块控制矢量推进器的开启和机翼、副翼、尾翼及舵面的偏转夹角，机翼、副翼或舵面工作角度包括迎角和滚转角，通过改变尾翼上的升降舵的角度改变迎角的大小，从而改变升力的大小，改变副翼滚转角可以改变升力的方向。实现气动集成翼对浮空器系统飞行航迹的有效控制。

当集成翼滚转角位于0度到90度之间时，升力既有向下方向分量，也有侧向方向分量，侧向分力通过与吊舱相连的可调节绳索使浮空器系统运动状态发生改变。请参照图3，当滚转角为90度时，即气动翼面呈垂直状态时，升力全部表现为侧向力，没有向下方向分量，整个集成翼近似为平直帆面。请参照图4，当滚转角为0度，即翼没有滚转时，没有侧向力，不改变气球原来的运动状态。为节省飞行消耗的能量，气动集成翼多数情况滑翔飘飞或通过舵面调整姿态，利用气动集成翼和主气囊的不同风层的风速和风向不同引导浮空系统实现轨迹控制，在风场不利飞行的情况开启矢量推进装置，保证气动翼的轨迹引导功能。

基于上述事实例，提出一种行星探测方法，所述行星探测方法应用于上述的行星探测浮空系统，包括：

获取行星大气层中不同高度所在的风层的密度差或风速差；

基于所述密度差或所述风速差，调节所述可收放连接装置的长度，以供所述气动集成翼利用所述密度差或所述风速差对所述超压气球球体起到牵引或平衡的作用，引导所述行星探测浮空系统按照规划轨迹飞行；

其中，所述超压球球体的高度位置高于所述气动集成翼。

利用行星大气层中不同高度所在的风层的较大的密度差或风速差，其中超压球球体位于较高高度，通过缆绳连接的吊舱及可调节长度绳索连接的气动集成翼位于较低高度，两个部分所在高度可以根据部署的行星大气的风层的风速和密度相差关系，高度可调至相差几公里到几十公里，气动集成翼利用较大的密度差或风速差对处于较高高度的主气囊起到较强的牵引或平衡的作用，引导整体行星探测系统按照规划轨迹飞行。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。