一种仿蒲公英火星飞行器及其装置和控制方法

1.本发明属于飞行器领域，特别涉及一种应用于火星的仿蒲公英火星飞行器及其装置和控制方法。


背景技术：

2.在目前已探测到的行星中，火星被认为是最适宜人类移民的星球。火星是除金星之外离地球最近的行星，且火星与地球的环境最为相似。科学家们发现火星两极有大量的冰存在，火星上曾经有大量的液态水。近些年，各国纷纷提出火星探测和移民计划。2020年7月23日，我国成功将“天问一号”探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了中国自主开展行星探测的第一步。天问一号探测器由环绕器、着陆器和巡视器组成。目前各国的火星巡视器主要采用无人车，但无人机车受限于火星的地表环境，移动范围和巡视距离极其有限，而火星飞行器则可以弥补火星车所存在的不足。
3.火星飞行器的概念自20世纪70年代已被提出，但整体发展较慢，还未被推广至实际的火星探测任务。目前，火星飞行器可概括为浮空气球、固定翼、旋翼类飞行器等几大类。火星与地球的物理环境虽接近，但仍然存在较大的差异，火星上的表面大气仅为地球大气密度的1.6％，而粘性却与地球相似，为地球的70％，其雷诺数约等于地球雷诺数的1％，火星上的雷诺数效应显著。传统的地球固定翼类或旋翼类飞行器在火星上直接使用，将导致升力特性变差，翼型的升阻比大大降低，飞行器的性能也变差，可见，普通的地球飞行器在火星上的应用存在较大的挑战，设计一款适应于火星低雷诺数环境的飞行器极为迫切。
4.蒲公英种子因其特殊的结构与气动特性而具有长时间、长距离空中漂浮的能力，且不消耗额外能量。蒲公英种子漂浮在空气中需要依赖一种名为冠毛的结构，每一个蒲公英种子由60～100根白色的反向伞状的冠毛组成，它看起来很像降落伞。但与降落伞不同，冠毛实际上充满了孔隙，约有90％的空间未被填满，因此空气可以从小冠毛中穿过。在保持相似质量下，在微扰动下蒲公英产生的升力约为降落伞的4倍。科学家发现蒲公英的种子可以凭借自然风力远航几十公里。
5.蒲公英如此高超的飞行模式应用于航空航天领域，将为飞行器的气动设计开辟新天地。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，以我国的火星探测和移民计划为导向，以自然界中的蒲公英为仿生对象，结合其独特的低雷诺数下的飞行模式与飞行机理，提出了一种仿蒲公英火星飞行器及其装置和控制方法。与传统的固定翼和旋翼类火星飞行器相比，本发明的飞行器升力特性好、制空时间长，且依靠“分离涡环”飞行模式，能够具备在火星的低雷诺数环境下的高升力特性。
7.本发明所采用的具体技术方案如下：
8.第一方面，本发明提供了一种仿蒲公英火星飞行器，包括设备舱、载荷舱和若干柔
性的冠毛；所述设备舱的外壁周向均匀固定有若干冠毛，所有冠毛共同构成冠毛群；每条冠毛均包括用于与设备舱连接的固定端和能向上弯曲的自由端，通过控制各冠毛的弯曲程度以调节飞行器的运动方向；初始状态下，所有冠毛均处于同一水平面；所述设备舱的底部挂载有载荷舱。
9.作为优选，所述设备舱包括顶盖和敞口舱体；所述敞口舱体的横截面为圆形，包括相互连接的圆筒上部和球形下部；顶盖和舱体之间可拆卸式连接，能共同构成用于承装控制模块、导航模块和电源的封闭腔室。
10.作为优选，所述冠毛群设于设备舱的顶部外缘。
11.作为优选，所述冠毛群中冠毛的孔隙率为0.9～0.95，总数为80～150根，横截面直径为0.4～0.8mm，冠毛的横截面直径约为冠毛长度的1/200～1/300。
12.作为优选，所述冠毛为柱状结构，其自由端采用海绵石墨烯材料，其余部分作为驱动主部；沿水平轴线方向，驱动主部分为上半圆柱和下半圆柱，上半圆柱采用聚二甲基硅氧烷材料，下半圆柱采用海绵石墨烯材料；所述下半圆柱与控制模块连接，控制模块能通过控制冠毛两端的电压以调节冠毛的弯曲程度。
13.进一步的，所述驱动主部中还设有能覆盖其竖直轴向横截面的绝缘层，绝缘层优选采用石墨烯材料。
14.进一步的，所述冠毛群中的所有冠毛平均分为四个象限部分，不同象限部分的冠毛分别与四个不同的控制模块相连接，通过不同的控制模块以调节不同象限冠毛的弯曲状态。
15.作为优选，靠近所述冠毛固定端的根部能向下弯折90
°
，以实现升力操纵组件的折叠收拢。
16.第二方面，本发明提供了一种仿蒲公英火星飞行装置，包括若干如第一方面任一所述的仿蒲公英火星飞行器；所述仿蒲公英火星飞行器的冠毛群折叠收拢于设备舱和载荷舱的外侧，并装载于飞船或着陆器中。
17.第三方面，本发明提供了一种根据第一方面任一所述仿蒲公英火星飞行器的控制方法，具体如下：
18.在飞行过程中，所有冠毛展开，通过冠毛间的相互作用，借助风力扰动下形成的分离涡环，使飞行器上方产生低压区，飞行器具有升力作用，以实现滞空飞行；同时，通过控制每条冠毛的弯曲程度，使飞行器产生相应方向的力矩，以实现飞行器各个方向的操纵和姿态控制。
19.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
20.1)本发明提出的仿蒲公英火星飞行器，在火星低雷诺数环境下比地球环境下的气动特性更优，制空时间更长。火星大气环境的主要特征为低雷诺数、高马赫数，其雷诺数约等于地球雷诺数的1％，黏性效应显著，普通固定翼及旋翼飞行器的升阻比随着雷诺数的降低成倍下降。因此，固定翼类飞行器在火星上适用性极差。旋翼类飞行器在火星上使用时，转速比地球上大得多，能效比也大大降低。本发明的所提出的仿蒲公英火星飞行器，其升力系数随着雷诺数的降低却呈指数增大，同一尺寸的仿蒲公英飞行器，在火星上使用，升力系数将比地球上增大10余倍，因此，飞行器整机效能大大提高。
21.2)本发明提出的仿蒲公英火星飞行器，通过控制冠毛的孔隙率、密度、形态与自然
界蒲公英保持一致，能够产生与自然界蒲公英一样的稳定“分离涡环”飞行机制。在不需外界提供能源的情况下，也能长时间制空飞行，具备浮空特性好、能耗低的特性，可应用于火星上的监视、侦察、物资投放等任务。
22.3)本发明提出的仿蒲公英火星飞行器的控制方式具有操作策略简单、能耗低、质量轻的特性。冠毛既是飞行器的升力面，又是操纵面。冠毛的内部结构采用双晶型(pdms/sg)材料制作，只需在设备舱中携带微型电池提供较小的电流，即可实现冠毛的弯曲操纵，从而实现飞行器姿态的主动控制。采用这种操纵方式，不需要额外增加操纵机构与舵面，大大降低飞行器的重量，双晶型(pdms/sg)材料既是冠毛的内部承力结构，又是冠毛的操纵面，是一种简单而高效的操纵方式。
附图说明
23.图1为仿蒲公英火星飞行器的一种结构示意图；
24.图2为图1的正视图；
25.图3为“分离涡环”飞行模式，其中，(a)为真实蒲公英尾流显示试验；(b)为仿蒲公英火星飞行器的数值模拟流线图；
26.图4为仿蒲公英火星飞行器的升力系数随雷诺数变化关系图；
27.图5为冠毛的结构示意图，其中，(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为右视图；
28.图6为挥舞操纵方式示意图，其中，(a)为直升机的挥舞操纵方式，(b)为仿蒲公英火星飞行器的挥舞操纵方式；
29.图7为仿蒲公英火星飞行器的姿态控制方式，其中，(a)为冠毛四个象限的划分，(b)为第一象限的冠毛弯曲受力情况示意图，(c)为第二象限的冠毛弯曲受力情况示意图，(d)为第三象限的冠毛弯曲受力情况示意图，(e)为第四象限的冠毛弯曲受力情况示意图；
30.图8为仿蒲公英火星飞行器的折叠状态示意图；
31.图9为仿蒲公英火星飞行器装载于运载器(即仿蒲公英火星飞行装置)中的一种结构示意图；
32.图中：设备舱1、冠毛2、载荷舱3。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
34.本发明提供了一种仿蒲公英火星飞行器，该飞行器外形上类似蒲公英，主要包括设备舱1、载荷舱3和多根柔性的冠毛2。该飞行器包括100余根冠毛，冠毛与真实蒲公英具有相同孔隙率和密度值，因此，该飞行器能够与真实蒲公英一样，依靠一种全新的飞行模式，即冠毛上方形成的一对稳定的“分离涡环”，实现微扰动下的高升力飞行。通过研究发现，本发明的飞行器在微扰动下产生的升力系数随着雷诺数的降低呈指数型增长，这种特性正契合了火星的低雷诺数环境，将本发明的飞行器应用于火星上，其升力系数将比地球上提升十余倍。本发明飞行器的冠毛既是飞行器的升力面，又是操纵面，可通过控制冠毛的弯曲实现操纵。
35.下面将对飞行器的各部件和连接方式进行具体说明。
36.如图1所示，在设备舱1的外壁沿周向均匀固定有多根冠毛2，所有冠毛2共同构成冠毛群。沿轴向方向，每条冠毛2由内向外分为依次连接的固定端、主体部和自由端，固定端用于与设备舱1相连接，主体部和自由端能向上实现不同程度的弯曲，进而可以通过控制各冠毛2的弯曲程度以调节飞行器的运动方向。这里的“由内向外”指的是，逐渐远离设备舱1的冠毛轴线方向。如图2所示，飞行器处于飞行初始状态下时，所有的冠毛2均处于同一水平面。冠毛2为飞行器的升力面与操纵面，在微扰动下，可产生向上的升力，且可实现对飞行器前后和左右运动方向的控制。
37.设备舱1的底部通过连杆挂载有载荷舱3，设备舱1内承装有用于控制冠毛2的控制模块、导航模块和用于为用电设备供电的电源，载荷舱3是用于装载物资、图传设备、光电设备等载荷设备的。
38.在实际应用时，为了使冠毛群更好的与设备舱1相连接，可以将设备舱设置为如下结构：设备舱1包括顶盖和敞口舱体；敞口舱体的横截面为圆形，包括相互连接的圆筒上部和球形下部，进而可以将每根冠毛与圆筒上部相连接固定；顶盖和舱体之间可拆卸式连接，能共同构成用于承装控制模块、导航模块和电源的封闭腔室。
39.为了保证本发明飞行器的冠毛群可以尽可能的产生与自然界蒲公英相同的低雷诺数下的高升力气动特性，应当将冠毛群中冠毛2的孔隙率设置为0.9～0.95(优选为0.92)，冠毛2总数设置为80～150根，冠毛2横截面直径为0.4～0.8mm，冠毛2的横截面直径为冠毛2长度的1/300。这里“孔隙率”的定义为多孔介质内部的空隙部分的体积之和与该多孔介质的外表体积的比值，蒲公英的孔隙率具体的物理含义为冠毛之间的孔隙的体积占冠毛所在圆柱盘体积的比值。在该结构下，通过对本发明飞行器的高精度数值仿真和自然界蒲公英的尾流显示试验，发现冠毛之间的相互作用在冠毛的上方形成了一对稳定的涡环——“分离涡环”，如图3所示。其中，图(a)为自然界蒲公英的尾流显示试验，可以明显看出，自然界的蒲公英在微扰动下，发现冠毛之间的相互作用在冠毛的上方形成了一对稳定的涡环——“分离涡环”，分离涡环在蒲公英的上方产生较强的低压区，使得蒲公英产生升力，这正是蒲公英能长时间滞空飞行的机理。图(b)为仿蒲公英飞行器的数值模拟流场结果分析图，中切面的流线图可以明显看出，仿蒲公英飞行器的冠毛上方也同样出现了一对稳定的“分离涡环”，成功地模仿了自然界真实蒲公英的“分离涡环”飞行模式。
40.此外，本发明的飞行器在微扰动下产生的升力系数随着雷诺数的降低呈指数型增长，如图4所示，为蒲公英的升力系数随雷诺数变化关系，横坐标为雷诺数，纵坐标为升力系数。其中黑色实线为自然界的蒲公英所遵循的关系，实心正方形标识点为仿蒲公英飞行器的数值计算获得尾扰动下，升力系数随雷诺数的变化规律，虚线为拟合的关系，得到升力系数与雷诺数符合指数关系：c
l
＝135.11
×
re-0.527
。由于火星的雷诺数只有地球的1％，同一尺寸的飞行器在火星上的升力系数将比在地球上增大10倍。因此，本发明的仿蒲公英飞行器在低雷诺数下的高升力特性正契合了火星的低雷诺数环境，应用于火星上将具有更大的优势。
41.为了实现各冠毛弯曲程度的控制，冠毛内部可以采用新型的双晶型(pdms/sg)驱动结构，具体如下：如图5所示，冠毛2为柱状结构，其自由端采用海绵石墨烯材料，其余部分作为驱动主部；沿水平轴线方向，驱动主部分为上半圆柱和下半圆柱，上半圆柱(主要受力结构)采用热膨胀系数较高的聚二甲基硅氧烷(pdms)材料制作，下半圆柱(驱动变形结构)
采用海绵石墨烯(sg)材料制作；其中sg材料与控制电路(设于控制模块中)相连，通过控制sg的两端电压，从而控制pdms材料的受热程度，由于sg层与pdms层之间的巨大热膨胀差，致使冠毛纤维发生不同程度的弯曲，实现操纵与控制。此外，为了保证冠毛均匀受热，还可以在驱动主部中还设有能覆盖其竖直轴向横截面的绝缘层，绝缘层优选采用石墨烯材料。
42.在实际应用时，可以将每个冠毛均与不同的控制电路相连接，以实现不同冠毛的弯曲程度控制。但考虑到制作的成本及难易程度，可以将冠毛群中的所有冠毛2平均分为四个象限部分，如图7所示，不同象限部分的冠毛2分别与四个不同的控制模块相连接，通过不同的控制模块以实现不同象限冠毛翼的弯曲状态。其中，在同一象限中的所有冠毛向上弯曲程度一致，以便于操控。
43.在实际应用时，靠近冠毛2固定端的根部能向下弯折90
°
，以实现升力操纵组件的折叠收拢，折叠后冠毛收束于设备舱与载荷舱的外围，如图8所示。飞行器折叠后的尺寸大大减小，径向尺寸约可减小80％，便于装载于飞船和着陆器中，共同构成了仿蒲公英火星飞行装置，以便于协同实现仿蒲公英火星飞行任务，如图9所示。
44.受直升机挥舞运动操纵方式的启发，本发明的仿蒲公英飞行器采用冠毛群的“挥舞”运动实现各个方向的操纵与姿态控制，如图6所示。但与直升机不同的是，本发明飞行器的冠毛并不旋转，冠毛的挥舞运动通过驱动器驱动冠毛弯曲实现，具体的操纵方式如下：
45.在飞行过程中，所有冠毛2展开，通过冠毛2间形成的分离涡环，使飞行器上方产生低压区，飞行器具有升力作用，以实现滞空飞行。同时，可以通过控制每条冠毛2的弯曲程度，从而破坏“分离涡环”的稳定，使飞行器产生相应方向的力矩，以实现飞行器各个方向的操纵和姿态控制。在实际应用时，可以将飞行器所有冠毛被划分为四个象限，每个象限的冠毛组成一个群组，它们向上弯曲的角度一致，通过控制各个象限的冠毛群向上弯曲，使蒲公英产生各个方向的力矩，从而实现仿蒲公英飞行器简单的操纵与姿态调整。
46.本发明的仿蒲公英火星飞行器具备升力特性好、制空时间长、姿态可控、便于运载的特征，可应用于我国未来的火星探测工程。
47.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，包括设备舱(1)、载荷舱(3)和若干柔性的冠毛(2)；所述设备舱(1)的外壁周向均匀固定有若干冠毛(2)，所有冠毛(2)共同构成冠毛群；每条冠毛(2)均包括用于与设备舱(1)连接的固定端和能向上弯曲的自由端，通过控制各冠毛(2)的弯曲程度以调节飞行器的运动方向；初始状态下，所有冠毛(2)均处于同一水平面；所述设备舱(1)的底部挂载有载荷舱(3)。2.根据权利要求1所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述设备舱(1)包括顶盖和敞口舱体；所述敞口舱体的横截面为圆形，包括相互连接的圆筒上部和球形下部；顶盖和舱体之间可拆卸式连接，能共同构成用于承装控制模块、导航模块和电源的封闭腔室。3.根据权利要求1所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述冠毛群设于设备舱(1)的顶部外缘。4.根据权利要求1所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述冠毛群中冠毛(2)的孔隙率为0.9～0.95，总数为80～150根，横截面直径为0.4～0.8mm，冠毛(2)的横截面直径为冠毛(2)长度的1/200～1/300。5.根据权利要求1所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述冠毛(2)为柱状结构，其自由端采用海绵石墨烯材料，其余部分作为驱动主部；沿水平轴线方向，驱动主部分为上半圆柱和下半圆柱，上半圆柱采用聚二甲基硅氧烷材料，下半圆柱采用海绵石墨烯材料；所述下半圆柱与控制模块连接，控制模块能通过控制冠毛(2)两端的电压以调节冠毛(2)的弯曲程度。6.根据权利要求5所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述驱动主部中还设有能覆盖其竖直轴向横截面的绝缘层，绝缘层优选采用石墨烯材料。7.根据权利要求5所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，所述冠毛群中的所有冠毛(2)平均分为四个象限部分，不同象限部分的冠毛(2)分别与四个不同的控制模块相连接，通过不同的控制模块以调节不同象限冠毛的弯曲状态。8.根据权利要求1所述的一种仿蒲公英火星飞行器，其特征在于，靠近所述冠毛(2)固定端的根部能向下弯折90
°
，以实现升力操纵组件的折叠收拢。9.一种仿蒲公英火星飞行装置，其特征在于，包括若干如权利要求1～9任一所述的仿蒲公英火星飞行器；所述仿蒲公英火星飞行器的冠毛群折叠收拢于设备舱(1)和载荷舱(3)的外侧，并装载于飞船或着陆器中。10.一种根据权利要求1～9任一所述仿蒲公英火星飞行器的控制方法，其特征在于，具体如下：在飞行过程中，所有冠毛(2)展开，通过冠毛(2)间的相互作用，借助风力扰动作用下形成的分离涡环，使飞行器上方产生低压区，飞行器具有升力作用，以实现滞空飞行；同时，通过控制每条冠毛(2)的弯曲程度，使飞行器产生相应方向的力矩，以实现飞行器各个方向的操纵和姿态控制。

技术总结
本发明公开了一种应用于火星的仿蒲公英火星飞行器及其装置和控制方法，属于飞行器领域。飞行器外形上类似蒲公英，包括设备舱、载荷舱和若干柔性的冠毛；设备舱的外壁周向均匀固定有若干冠毛，所有冠毛共同构成冠毛群；每条冠毛均包括用于与设备舱连接的固定端和能向上弯曲的自由端，通过控制各冠毛的弯曲程度以调节飞行器的运动方向；初始状态下，所有冠毛均处于同一水平面；设备舱的底部挂载有载荷舱。冠毛采用新型的双晶型驱动结构，通过电压控制材料的热膨胀差，致使冠毛发生不同程度的弯曲。本发明的飞行器具备升力特性好、制空时间长、姿态可控、便于运载的特征，可应用于我国未来的火星探测工程。未来的火星探测工程。未来的火星探测工程。


技术研发人员：曾丽芳 黎军 潘定一 邵雪明
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8