磁阻尼对探测器火星降落过程的动力学效应

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文磁阻尼对探测器火星降落过程的动力挙效应作者姓名:洪波指导教师:________mm妍究员北京卫星环境工程所可靠性与环境工程技术_______重点实验室学位类别:理莩硕十学科专业:空间物理研宄所:中国科学院空间科学与应闲研究中心:、2〇15料月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他人己发表或撰写过的材料，也

2、不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：达滅日期关于论文使用授权的说明本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。密级：硕士学位论文磁阻尼对探测器火星降落过程的动力学效应作者姓名：洪波指导教师：赵华研究员北京卫星环境工程所可靠性与环境工程技术重点实验室学位类别：理学硕

3、士学科专业：空间物理研究所:中国科学院空间科学与应用研究中心2015年4月DynamiceffectofmagneticresistanceduringMarsdescentByHongBoADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofScienceNationalSpaceScienceCenterChineseA

4、cademyofSciencesApril,2015摘要摘要[1]较地球而言，火星的大气非常稀薄，平均压强只有700Pa，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

5、，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

6、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

7、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3程中可提供10N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I摘要过程中的阻力，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。关键词：火星；磁阻尼；探测器；磁偶极场；等离子体IIABSTRACTABSTRACTMar

8、satmosphereisthinnerthanearthasitsaverageatmosphericpressureisonly[1]700Pa,it’sdifficulttomakedecelerationintheMarsbecausethinneratmosphereproducessmallerresistance.Marsexplorationvehiclehastocarrymore