CN110422341A - 一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统及其工作方法，属于火星飞行器探测技术领域。系统包括系留飞艇、温度控制系统、电源系统、高分辨率摄影机、通讯平台、传感元件、系缆收放控制系统和火星车，温度控制系统和电源系统保障电子设备的正常运行，传感元件监测工作环境、飞行状态等信息，高分辨率摄影机拍摄火星复杂地形，通过通讯平台将讯息传给火星车以便于规划路线，避开危险区域。系留系统可以提高探测的范围，且能够进行实时数据传输，极大提高火星车的探测范围，辅助火星车完成探测任务，提升火星探测的效率。此外系留系统还可以作为通讯中继在多个火星车以及飞船之间进行通讯。

Description

一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统及其工作方法
技术领域
本发明提供一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统，属于火星飞行器探测技术领域。
背景技术
火星在太阳系中与地球相邻，且有着极为相似的物理体积、地形地貌、昼夜交替等特点，一直是深空探测中最为重要的探测对象。目前，世界范围内已经先后有6个火星环绕器进入火星轨道，以及4辆火星车登陆火星，开展火星探测任务。火星轨道的环绕器可以大范围开展探测任务，但是缺乏精度，无法获取详细的数据；火星车可以对火星环境进行高精度探测，但火星表面为多坑地貌，存在大量陡峭的环形山以及峡谷，地形极端复杂，这在一定程度上限制了其全方位开展探测任务。
发明内容
本发明的目的在于解决火星车在极端复杂地形情况下巡视速度和探测范围受限问题，提供一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统，协助火星车开展探测任务，避免火星车进入危险区域，提高探测范围，在保证高精度前提下提升探测效率。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：一种基于以火星车为中心的区域全方位探测的系留飞艇系统，包括系留飞艇、温度控制系统、电源系统、高分辨率摄影机、通讯平台、传感元件、系缆收放控制系统和火星车，所述系留飞艇采用无动力浮空式，通过充气装置使艇体充满氢气，尾部设有3个用于稳定飞艇姿态的尾舵，底部设有机载设备集合仓，所述温度控制系统用于维持集合仓的温度，所述电源系统用于给电子设备供电，所述高分辨率摄影机用于拍摄火星复杂地面，所述通讯平台用于火星车和系留飞艇之间的数据传输，所述传感元件用于检测系留飞艇的工作环境和飞行状态等信息，所述系缆收放控制系统用于调整系留飞艇浮空高度。
上述的基于以火星车为中心的区域全方位探测的系留飞艇系统实现方法，包括如下步骤：
步骤一、系留飞艇折叠状态与火星探测车绑定连接，搭载火箭运送至火星表面后，解除飞艇与火星车的绑定连接。
步骤二、将系留飞艇充满氢气，使得浮力满足任务载荷要求。驱动系缆收放控制装置，调整系留飞艇的浮空高度。
步骤三、打开飞艇机载设备仓内设备开展探测任务。温度控制系统维持集合仓温度，传感元件监测飞艇工作环境和飞行状态，高分辨率摄影机拍摄火星复杂地形，通讯平台进行数据传输。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：结合了火星飞行器大范围探测的优点和火星探测车高精度探测的优点，系留飞艇可以协助火星车开展探测任务，避免火星车进入危险区域，提高探测范围，在保证高精度前提下提升探测效率。此外系留系统还可以作为通讯中继在多个火星车以及飞船之间进行通讯。
附图说明
图1是用于火星探测的火星车系留飞艇系统示意图；
图2是系留飞艇机载设备集合仓结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
科研人员发现火星存在稀薄的大气，这使得研制用于协助火星车在火星大气环境下工作的火星无人飞行器成为可能。火星表面的重力约为地球标准的0.38，火星大气密度约为地球大气密度的1 /70，火星大气环境主要成分为二氧化碳(约为95 .32％)，火星大气环境属于低雷诺数环境。
所述系留飞艇中设有机载设备集合仓，所述机载设备集合仓中包含温度控制系统、电源系统、高分辨率摄影机、通讯平台、传感元件、系缆收放控制系统；其中，
所述温度控制系统用于维持机载设备集合仓的温度；所述高分辨率摄影机用于拍摄火星复杂地面信息；所述通讯平台用于火星车和系留飞艇之间的数据传输；所述传感元件用于检测系留飞艇的工作环境和飞行状态信息；所述系缆收放控制系统用于调整系留飞艇浮空高度；所述温度控制系统、高分辨率摄影机、通讯平台均位于系留飞艇底部。
系留飞艇采用无动力浮空式，系留飞艇的尾部设有3个用于稳定飞艇姿态的尾舵，保持系留飞艇纵轴总是迎着来流方向。所述系缆采用轻质弹性绳。所述电源系统采用轻质高电量的电池，保证电子设备在系留飞艇长时驻空期间稳定工作。所述高分辨率摄影机安装于云台上，通过驱动电机调整高分辨率摄影机的镜头指向和焦距调整。
所述通讯平台用于系留飞艇和火星车之间的数据传输，为火星车提供周围区域的地形，可以进一步扩大火星车的勘探范围，扩展视野，同时有利于火星车规划路线，避开危险区域。所述通讯平台还可以作为通讯中继在多个火星车和火星飞船之间进行通讯。
如图1所示，本发明提供了一种用于火星探测的火星车系留飞艇系统，所述系统由火星车1、系留飞艇2和卫星3组成，以系留飞艇2为通讯中继平台，可组成多空间通讯网协同开展探测任务。所述系留飞艇采用无动力浮空式，通过充气装置使艇体充满氢气，尾部设有3个用于稳定飞艇姿态的尾舵4，底部设有艇载设备集合仓5。
如图2所示，所述系留飞艇机载设备集合仓5包括温度控制系统6、电源系统9、高分辨率摄影机11、通讯平台7、传感元件8、系缆收放控制系统10，所述温度控制系统6用于维持机载设备集合仓的温度，所述电源系统9采用轻质高电量电池，用于给电子设备长时间供电，所述高分辨率摄影机11用于拍摄火星复杂地面，可以通过驱动电机调整角度进行360度拍摄，所述通讯平台7用于火星车和系留飞艇之间的数据传输，还可与多个火星车和卫星组成通讯网，协同开展探测任务，所述传感元件8用于检测系留飞艇的工作环境和飞行状态等信息，所述系缆收放控制系统10用于调整系留飞艇浮空高度。
上述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统实现方法，包括如下步骤：
步骤一、系留飞艇2折叠状态与火星探测车1绑定连接，搭载火箭运送至火星表面后，解除飞艇与火星车的绑定连接。
步骤二、将系留飞艇2充满氢气，使得浮力满足任务载荷要求。驱动系缆收放控制装置10，调整系留飞艇的浮空高度。
由于火星大气环境主要成分为二氧化碳(约为95.32％)，这也使得飞艇充入效率更高的氢气提供了安全可靠性。考虑到火星的大气密度，大约60L的氢气飞艇就可以载重1kg。
步骤三、打开飞艇机载设备仓5内设备开展探测任务。温度控制系统6维持集合仓温度，传感元件8监测飞艇工作环境和飞行状态，高分辨率摄影机11拍摄火星复杂地形，通讯平台7进行数据传输。
火星表面温度很低且温度变化明显，夏季平均温度为零下60摄氏度，而冬季更是达到零下120摄氏度。为了保障飞艇机载设备正常工作，需要增加温度控制系统。高分辨率摄影机可以在高空实施大范围的火星地表环境探测。高空的通讯平台不仅可以实现飞艇和火星车之间的通讯，还可以作为通讯中继在火星车、飞艇和火星飞船之间组网。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：结合了火星飞行器大范围探测的优点和火星探测车高精度探测的优点，系留飞艇可以协助火星车开展探测任务，避免火星车进入危险区域，提高探测范围，在保证高精度前提下提升探测效率。此外系留飞艇系统还可以作为通讯中继在多个火星车以及飞船之间进行通讯。
本发明创造所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制发明创造。以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。

Claims (10)

1.用于火星探测的车系留飞艇系统，其特征在于：包括系留飞艇、火星车和卫星，所述系留飞艇艇体内有氢气，浮于空中，通过系缆连接在火星车尾部；所述系留飞艇作为通讯中继平台，与卫星、火星车构成多空间通讯网协同开展探测任务。
2.根据权利要求1所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述系留飞艇中设有机载设备集合仓，所述机载设备集合仓中包含温度控制系统、电源系统、高分辨率摄影机、通讯平台、传感元件、系缆收放控制系统；其中，
所述温度控制系统用于维持机载设备集合仓的温度；
所述高分辨率摄影机用于拍摄火星复杂地面信息；
所述通讯平台用于火星车和系留飞艇之间的数据传输；
所述传感元件用于检测系留飞艇的工作环境和飞行状态信息；
所述系缆收放控制系统用于调整系留飞艇浮空高度；
所述温度控制系统、高分辨率摄影机、通讯平台均位于系留飞艇底部。
3.根据权利要求1所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：系留飞艇采用无动力浮空式，系留飞艇的尾部设有3个用于稳定飞艇姿态的尾舵，保持系留飞艇纵轴总是迎着来流方向。
4.根据权利要求1或2所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述系缆采用轻质弹性绳。
5.根据权利要求1或3所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述电源系统采用轻质高电量的电池，保证电子设备在系留飞艇长时驻空期间稳定工作。
6.根据权利要求1或3所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述高分辨率摄影机安装于云台上，通过驱动电机调整高分辨率摄影机的镜头指向和焦距调整。
7.根据权利要求1或3所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述通讯平台用于系留飞艇和火星车之间的数据传输，为火星车提供周围区域的地形，进一步扩大火星车的勘探范围，扩展视野，同时有利于火星车规划路线，避开危险区域。
8.根据权利要求7所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述通讯平台作为通讯中继在多个火星车和火星飞船之间进行通讯。
9.根据权利要求1或3所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统，其特征在于：所述传感元件检测系留飞艇工作环境的温度、风向、风速、飞行状态信息。
10.根据权利要求1所述的用于火星探测的火星车系留飞艇系统的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：步骤一、系留飞艇折叠状态与火星探测车绑定连接，搭载火箭运送至火星表面后，解除飞艇与火星车的绑定连接；
步骤二、将系留飞艇充满氢气，使得浮力满足任务载荷要求；驱动系缆收放控制装置，调整系留飞艇的浮空高度；
步骤三、打开机载设备集合仓内设备开展探测任务；温度控制系统维持集合仓温度，传感元件监测飞艇工作环境和飞行状态，高分辨率摄影机拍摄火星复杂地形，通讯平台进行数据传输。
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