一种上层大气层飞行器气动外形结构的制作方法

1.本发明涉及一种上层大气层飞行器气动外形结构，属于高空超高速飞行器气动设计领域。


背景技术：

2.上层大气层(100km～300km)是对地观测飞行器的运行区域，运行在此地球轨道的飞行器为上层大气层飞行器。上层大气层飞行器轨道高度低，能够快速到达预定轨道，展开工作；其轨道周期短，能够在很短时间内对同一目标进行高分辨率观测，侦察工作比传统飞行器频繁，得到信息更多；上层大气层飞行器还能实现地球重力场/电磁场的准确测量和全球海洋气候的高精度预测，对于地球物理学和气象学的研究都有重大意义；并且，其搭载的空间相机或雷达等设备指标无需太高，就能够达到传统飞行器的效果，甚至更好，有效载荷这一项就能够大幅度减少飞行器成本。所以，上层大气层飞行器的研究和设计，能够产生巨大的社会、经济效应，有着较大的工程应用价值，正在成为各航天大国关注的重点。
3.然而，在上层大气层空域的环境下，空间稀薄大气会引起较大的气动阻力(200km高度附近的大气密度是700km高度的1000倍以上)，该阻力能使地球观测飞行器迅速偏离目标轨道，必须进行速度补偿，频繁的进行轨道机动。尽管近地稀薄大气的作用力相比地球引力很小，但是，这个力在飞行器运行时间内积累，长期产生的摄动对飞行器的轨道和姿态有着巨大的影响，会使得飞行器执行机构频频卸载。因此，飞行器气动问题已变得越来越重要。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有飞行器气动阻力较大的问题，提供了一种上层大气层飞行器气动外形，可以有效减少上层大气层飞行器的气动阻力，从而提高飞行器操控系统的可靠度。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种上层大气层飞行器气动外形结构，包括飞行器本体、水平太阳翼、稳定翼和共形天线；
7.飞行器本体为截面正六边形的柱状结构，一组水平太阳翼位于飞行器本体的两侧对称分布，稳定翼位于飞行器本体上方靠近尾端的位置，用于扰动力矩控制；一组共形天线位于飞行器本体下方，与飞行器本体共形，减少飞行器在轨气动阻力。
8.进一步的，该飞行器在上层大气层范围飞行，所述上层大气层范围为100km～300km。
9.进一步的，所述飞行器本体长度为l，迎风面边长为w，其具体尺寸依据飞行器本体总体容积不变的约束条件进行调整。
10.进一步的，所述飞行器本体长度l和迎风面边长w具体取值范围：1m≤l≤10m，0.1m≤w≤2m。
11.进一步的，所述太阳翼采用水平对称布局，轴向布局位置相对于飞行器本体靠后，以满足俯仰方向稳定性要求，减少主动姿态控制次数及燃料消耗。
12.进一步的，所述太阳翼相对飞行器本体轴向位移为l1，且0《l1≤0.5ls；ls为太阳翼的长度。
13.进一步的，所述太阳翼长度ls和飞行器本体长度相等，即ls＝l，1m≤ls≤10m。
14.进一步的，所述共形天线为长方形薄片结构，其长度l
l
和飞行器本体相等，即l
l
＝l，1m≤l
l
≤10m。
15.进一步的，共形天线放置角度θ
l
取值范围：-30
°
≤θ
l
＜90
°
；放置角度θ
l
为0
°
时，天线为竖直状态；放置角度θ
l
为-30
°
时，天线表面与飞行器本体下表面两个斜面平行，即此时两个天线相交且夹角为60
°
；放置角度θ
l
为正度数时，天线向水平太阳翼逐渐贴近。
16.进一步的，放置角度θ
l
为-30
°
时飞行器气动阻力最小。
17.本发明与现有技术相比的优点：
18.(1)本发明提供的一种上层大气层飞行器气动外形，采用与飞行器本体共形的天线放置可以有效降低该空域中稀薄大气对飞行器的干扰阻力，改善飞行器姿态控制。
19.(2)本发明提供的一种上层大气层飞行器气动外形，具有水平太阳翼，且相对飞行器本体向后方偏置，可以改善飞行器在俯仰方向的静稳定性。
20.(3)本发明整体结构更为简单，经济成本低，具有较大的经济价值，能有效促进上层大气层的开发和利用。
21.(4)本发明设计的低阻飞行器外形，减小飞行器在上层大气层运行时受到的气动干扰阻力，不仅能够得到飞行器足够的姿态稳定度和姿态指向精度，并且能够有效减少飞行器的能源消耗，从而降低飞行器研制成本，具有较大的经济价值，为将来的低成本低功耗飞行器的控制系统研究提供一种新的思路和策略。
附图说明
22.图1：本发明上层大气层飞行器气动外形示意图；
23.图2：飞行器气动外形左视图；
24.图3：飞行器气动外形侧视图；
25.图4：天线放置角度变化示意图；
26.图5：上层大气层飞行器物面压力云图。
具体实施方式
27.如图1-3所示，本发明提出一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：包括飞行器本体1、水平太阳翼2、稳定翼3和共形天线4；
28.飞行器本体1为截面正六边形的柱状结构，一组水平太阳翼2位于飞行器本体1的两侧对称分布，稳定翼3位于飞行器本体1上方靠近尾端的位置，用于扰动力矩控制；一组共形天线4位于飞行器本体1下方，与飞行器本体1共形，减少飞行器在轨气动阻力。
29.该飞行器在上层大气层范围飞行，所述上层大气层范围为100km～300km。
30.所述飞行器本体长度为l(x方向，即轴向)，迎风面边长为w，其具体尺寸依据飞行器本体总体容积不变的约束条件进行调整。根据本体气动阻力最小原则选定长细比l/s。
31.优选的，所述飞行器本体长度l和迎风面边长w具体取值范围：1m≤l≤10m，0.1m≤w≤2m。
32.所述太阳翼2采用水平对称布局，轴向布局位置相对于飞行器本体1靠后，以满足俯仰方向稳定性要求，减少主动姿态控制次数及燃料消耗。
33.优选的，所述太阳翼2相对飞行器本体1轴向位移为l1，且0《l1≤0.5ls；ls为太阳翼的长度。
34.优选的，所述太阳翼2长度ls和飞行器本体长度相等，即ls＝l，1m≤ls≤10m，以满足供电需求和布片要求。
35.优选的，所述共形天线4为长方形薄片结构，其长度l
l
和飞行器本体相等，即l
l
＝l，1m≤l
l
≤10m。
36.共形天线放置角度θ
l
取值范围：-30
°
≤θ
l
＜90
°
；放置角度θ
l
为0
°
时，天线为竖直状态；放置角度θ
l
为-30
°
时，天线表面与飞行器本体下表面两个斜面平行，即此时两个天线相交且夹角为60
°
；放置角度θ
l
为正度数时，天线向水平太阳翼逐渐贴近。
37.优选的，放置角度θl为-30
°
时飞行器气动阻力最小。
38.本发明所设计的气动外形在满足总体设计要求下可有效降低飞行器在低轨运行时受到的气动阻力，减少近地空间稀薄大气对航天器运行轨道的影响，有助于改善飞行器的姿态控制，提高飞行器的运行稳定性，延长飞行器的在轨时间。
39.实施例：
40.下面结合实例，说明本发明的具体实施方案。
41.作为上层大气层飞行器气动外形的一个具体设计实例，如图1所示。在本实施例中，飞行器本体尺寸为：长度l＝8000mm，边长w＝400mm；飞行器两侧各布置1块太阳电池翼，尺寸为：长度ls＝8000mm,宽度ws＝550mm，厚度hs＝20mm，天线放置位置与本体共形，放置于本体下方两侧部位，其尺寸为：长度l
l
＝8000mm,宽度w
l
＝750mm，厚度w
l
＝20mm。飞行高度取200km，位于上层大气层空域，具体的来流条件如表1所示。天线放置角度示意图如图4所示。
42.表1上层大气层飞行器评估算例的来流条件
[0043][0044]
图5时飞行高度为200km时上层大气层飞行器表面压力云图。从图中可以看出，在飞行器本体头部、太阳翼、天线迎风面压力较高。表2为不同天线安装角度时低阻气动外形飞行器的气动阻力。
[0045]
表2不同天线安装角度时飞行器气动阻力
[0046]
θ
l
/
°
fd/mn-3034.8-1037.8
038.73039.5
[0047]
从表中可以看出，随着天线安装角度的减小，低阻飞行器气动阻力逐渐减小，在θ
l
为-30
°
时，上层大气层飞行器气动阻力最小为34.8mn。可以看到，采用天线与飞行器共形布置方案有助于降低飞行器的气动阻力。
[0048]
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

技术特征：
1.一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：包括飞行器本体(1)、水平太阳翼(2)、稳定翼(3)和共形天线(4)；飞行器本体(1)为截面正六边形的柱状结构，一组水平太阳翼(2)位于飞行器本体(1)的两侧对称分布，稳定翼(3)位于飞行器本体(1)上方靠近尾端的位置，用于扰动力矩控制；一组共形天线(4)位于飞行器本体(1)下方，与飞行器本体(1)共形，减少飞行器在轨气动阻力。2.根据权利要求1所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：该飞行器在上层大气层范围飞行，所述上层大气层范围为100km～300km。3.根据权利要求1所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述飞行器本体长度为l，迎风面边长为w，其具体尺寸依据飞行器本体总体容积不变的约束条件进行调整。4.根据权利要求3所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述飞行器本体长度l和迎风面边长w具体取值范围：1m≤l≤10m，0.1m≤w≤2m。5.根据权利要求3或4所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述太阳翼(2)采用水平对称布局，轴向布局位置相对于飞行器本体(1)靠后，以满足俯仰方向稳定性要求，减少主动姿态控制次数及燃料消耗。6.根据权利要求5所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述太阳翼(2)相对飞行器本体(1)轴向位移为l1，且0<l1≤0.5l
s
；l
s
为太阳翼的长度。7.根据权利要求5所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述太阳翼(2)长度l
s
和飞行器本体长度相等，即l
s
＝l，1m≤l
s
≤10m。8.根据权利要求1所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：所述共形天线(4)为长方形薄片结构，其长度l
l
和飞行器本体相等，即l
l
＝l，1m≤l
l
≤10m。9.根据权利要求8所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：共形天线放置角度θ
l
取值范围：-30
°
≤θ
l
＜90
°
；放置角度θ
l
为0
°
时，天线为竖直状态；放置角度θ
l
为-30
°
时，天线表面与飞行器本体下表面两个斜面平行，即此时两个天线相交且夹角为60
°
；放置角度θ
l
为正度数时，天线向水平太阳翼逐渐贴近。10.根据权利要求9所述的一种上层大气层飞行器气动外形结构，其特征在于：放置角度θ
l
为-30
°
时飞行器气动阻力最小。

技术总结
本发明公开了一种上层大气层飞行器气动外形结构，包括飞行器本体、一组太阳翼、一个稳定翼和一组共形天线。所述飞行器外形的本体为截面正六边形的柱状结构，长度为L，迎风面边长为W，太阳翼分别位于飞行器本体的两侧，稳定翼位于飞行器上方，天线位于飞行器本体下方，与飞行器本体共形，以减少飞行器摩阻。本发明所设计的气动外形在满足总体设计要求下可有效降低飞行器在低轨运行时受到的气动阻力，减少近地空间稀薄大气对航天器运行轨道的影响，有助于改善飞行器的姿态控制，提高飞行器的运行稳定性，延长飞行器的在轨时间。延长飞行器的在轨时间。延长飞行器的在轨时间。


技术研发人员：李俊红 黄飞 靳旭红 姚雨竹 苗文博 程晓丽
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/26