火星探测器进入阶段稳定性分析

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1、航天返回与遥感第32卷第4期SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2011年8月6火星探测器进入阶段稳定性分析包进进荣伟(北京空间机电研究所，北京100076)摘要文章针对“火星探路者”，对火星探测器在进入火星大气减速过程中的运动稳定性问题进行了研究，分析了质心位置、进入条件、大气参数等因素对火星探测器运动稳定性的影响。分析结果表明，在马赫数大于1．2时，探测器处于一个比较稳定的状态。关键词火星探测器静不稳定动不稳定偏差因素蒙特卡洛法中图分类号：V529．1文献标识码：A文章编号：1009—8518

2、(2011)o4—0006—08MarsExplorerStabilityAnalysisintheEntryPhaseBaoJinjinRongWei(BeijingInstituteofSpaceMechanics＆Electricity，Beijing100076，China)AbstractBasedontheMarsPathfinder，themotionstabilityofMarsexplorerinentryphasewasanalysed，furthertheeffectscausedbyeachofrel

3、evantuncertainties，suchascenterofgravity，entrycondition，atmosphereparameteruponthenominalattitudeprofilewerequantified．TheresultsshowthattheentryvehicleisaerodynamicallystablewhentheMachnumberismorethan1．2．KeywordsMarsexplorerStaticinstabilityDynamicinstabilityUnce

4、rtaintiesMontecarlomethod1引言由于火星上存在大气层，因此要实现火星探测器在火星表面的软着陆，就可以充分利用其大气对探测器实现气动减速，使其在火星表面安全着陆，这也是俄、美实现火星着陆均采用的方法之一。其工作原理与航天器绕地球轨道返回和着陆的过程相似l】、探测器从进入火星大气层开始，到在其表面安全着陆，一般可分为3个阶段：首先从进入火星大气层。到下降到5～10kin高度左右，依靠探测器自身进行气动减速；第二阶段主要是降落伞进一步减速；最后是利用着陆缓冲手段实现着陆器的安全着陆l。然而，南于与地球的大气

5、相比，火星大气密度非常稀薄。在离火星表面lOkm高度处其大气密度约为0．0065kg／m，而在离地球表面lOkm高度处的大气密度约为0．413kg／m，．即火星上的大气密度要比地球上的小两个数量级l。因此，火星探测器在如此稀薄的大气层里运动，为了充分发挥探测器自身气动阻力的减速作只_l，为降落伞创造一个合适的开伞条件，一般要采用大钝头球锥形的外形设计la,s-9t，来提高阻力面积。如美国的火星探测器的半锥角均是70。。这种大钝头球锥形的外形结构又给探测器在进入火星大气过程巾的运动稳定性带来了不利的影响，这是火星探测器气动外形

6、设计和进入轨道特性分析时必须要注意的地方，．进入过程中的运动稳定性是评估探测器气动外形设计能否满足任务要求的重要参考因素之一．同时也是进入器进行防热结构设计、降落伞减速系统设计、结构和设备布局设计时必须要考虑的一个因素，因此．运动稳定性分析是返回式或进入式航天器在进人大气减速过程中弹道特征分析中的一项重要研究内容。本文针对国外火星探测活动巾常用的“火星探路者”的气动外形，对探测器进入火星大气减速过程中的收稿日期：2011-05—20第4期包进进等：火星探测器进入阶段稳定性分析7运动稳定性问题进行了研究，分析了质心位置、进入条

7、件、气动参数、大气参数等因素对火星探测器运动稳定性的影响。2仿真模型及初始参数的确定本文首先介绍了仿真过程动力学模型并给出了仿真初始参数。仿真过程中，探测器采用一般刚体动力学模型㈣，其中忽略附加质量和广义惯量矩阵的变化率对探测器运动的影响，如式(1)所示。1≥=(一一](1)式中为广义速度列阵；为广义力列阵；为系统的广义惯量矩阵。进入段探测器体坐标系和大地惯性坐标系的定义如图1所示。图1中，0一XYZ为探测器体坐标系，0一Y为大地惯性坐标系。图1坐标系定义本文采用“火星探路者”的相关结构参数和进入初始条件[81进行仿真，具体

8、仿真参数如表1所示。探测器结构及外形尺寸如图2所示。图中长度单位为Ill。表1初始参数初始参数参数值初始参数参数值进入速度／(km／s)7．6进入角，(o)一14．8进入高度／km125进入攻角，(。)O进入质量／kg552进入滚动角速率／(o)／s12巡航段／～、后锥体④着陆器。

9、、防热