基于萝藦果种子的火星低空飞行器及其基站与火星低空飞行器工作方法

本发明属于火星低空飞行器，具体涉及一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器及其基站与火星低空飞行器工作方法。

背景技术：

1、火星是太阳系中已知与地球构造最为相近的行星，也被认为是有可能被地球化，从而转变为人类可居住的类地行星。因此，火星探测是如今深空探测领域的研究热点，其对于拓展人类的生存空间以及探索生命的起源具有至关重要的意义。目前，对火星环境的探测研究表明，火星表面存在着稀薄的大气，这使火星飞行器在火星大气环境下飞行成为可能。2021年nasa的首架火星直升机“机智号”在火星表面成功起飞，并在火星大气环境下完成了多次飞行任务，使飞行器应用于火星低空探测成为了现实。

2、相较于轨道探测器和火星车的探测形式，火星飞行器在火星探测中有以下优势：1)火星飞行器的移动范围广且飞行速度快，可以快速且可靠地在火星车无法巡视的地方进行勘测任务；2)火星飞行器可以在火星表面低空巡视，获取火星地表等图片资料，为火星车提供全景地图和路径导航规划；3)火星飞行器具有采样返回功能，可完成多点采样任务。

3、然而，火星稀薄的大气环境是需要克服的难题之一。火星大气层相对较薄，平均地表气压只有600pa，约为地球表面气压的0.6％。火星大气成分为约95％的二氧化碳，3％的氮气，1.6％氩气，很少的氧气、水汽等，因此大气密度约为地球大气密度的六分之一。根据雷诺数的计算公式：

4、

5、其中，ρ为大气密度；v为流速；l为特征长度；μ为动力粘度。因此，如果工作在地球环境中的雷诺数为re＝o(106)，在火星环境中工作的雷诺数只有re＝o(104)。

6、当雷诺数降低时，流动特性从湍流向层流转变，惯性力相对粘性力减弱，这会显著影响飞行器的气动性能和设计需求。低雷诺数下边界层更易保持层流，但分离风险更高，需优化翼型以减少流动分离，并且低雷诺数下气动效率低，需通过减重补偿性能损失。这些问题都是困扰传统飞行器的难题，但是换个角度思考问题，自然界中刚好存在着能够将常规情况视为劣势的低雷诺数条件转化为自身机理上的优势的植被种子——萝藦果种子。

7、萝藦属于夹竹桃科鹅绒藤属多年生草质藤本植物，也称芄兰、斫合子、白环藤等，分布于热带、亚热带及温带地区，在我国的西南、华南地区分布较多。萝藦果呈纺锤形，平滑无毛，顶端急尖，基部膨大；种子呈卵圆形，顶端具白色绢质种毛。受萝藦果种子启发的放生类飞行器与受鸟类启发的机翼存在较大的差异，虽然同为仿生学领域工程问题，但萝藦果种子的形态和机理均不同于流线型物体，受昆虫或鸟类翅膀启发而设计的流线型机翼在气流的垂直方向产生升力，而萝藦果种子作为一种含有众多绒毛的薄钝体构型，依靠的则是气流平行方向上的阻力，抵消自身重力实现远距离飘浮，而恰恰是在低雷诺数下，流场中稳定的气流行为增强了它飞行的稳定性和带外部负载的能力。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器，用于在火星的低雷诺数环境下抵消重力实现远距离移动的火星探测。

2、一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的基站，用于装载飞行器并为其充电，确保能源充足能够完成低空探测任务。

3、一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的工作方法，用于实现在火星的低雷诺数环境下抵消重力实现远距离移动的火星探测。

4、本发明通过以下技术方案实现：

5、一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器，所述火星低空飞行器包括种毛1、连接舱2和挂载舱3；

6、所述种毛1为圆柱型，且为中空的腔体，所述种毛1有多条，每一条所述种毛1均包括用于与连接舱2连接的固定端和能向上弯曲的自由端，所述种毛1沿周向均匀固定在连接舱2外缘，所述连接舱2是底部连接挂载舱3。

7、进一步的，所述种毛1的材料为碳纤维，所述种毛1的腔体的中空度约为60％，内腔充满氢气或氦气，每一条所述种毛1的腔体中均有记忆合金丝。

8、进一步的，所述种毛1共有30条，每一条所述种毛1的横截面直径为0.2mm，长度为19mm。

9、进一步的，所述连接舱2内部放置导航模块和控制种毛1内部形状记忆合金丝的控制模块。

10、进一步的，所述种毛1的固定端与连接舱2为固定连接。

11、一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的基站，所述基站用于装载如上述的火星低空飞行器并为其充电，所述基站包括顶盖4、密封罩、密封罩导轨5和基座6，所述基站整体呈圆柱体，所述基座6装入密封罩内，所述密封罩的顶端设置顶盖4，所述密封罩上设置密封罩导轨5，所述密封罩导轨5呈圆弧状，所述密封罩的移动门沿着密封罩导轨5滑动开闭，所述基座6内置蓄电池和充电设备。

12、进一步的，一个所述基座6至多可以为七个飞行器进行充能。

13、一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的工作方法，所述工作方法为，

14、基于萝藦果种子的火星低空飞行器装载在基站内，整个基站密封罩的移动门开口向下；

15、火星低空飞行器在火星重力的作用下横向下落，离开基站，随后密封罩关闭，基站复位；

16、离开基站后，所述种毛1在风力和形状记忆合金丝的共同作用下，从收敛状态变为展开状态；

17、种毛1变为展开状态后，所述挂载舱3在火星重力的作用下转动到下方，开始执行低空探测任务。

18、进一步的，所述基站装载在火星探测器的内部，火星探测器的密封罩打开，火星探测器的机械臂使整个基站倒置。

19、一种如上述火星低空飞行器及其基站应用于火星低雷诺数环境。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明适用于火星低雷诺数环境，模拟自然界中的萝藦果种子的形态结构，依靠气流形成的压差阻力，抵消重力实现远距离移动探测，且中空度较高的种毛内部除形状记忆合金细丝外填充氦气，其优异的气动特性为火星低空探测提供了新的方案。

22、本发明由其他火星探测器运输抵达任务目标地点，一个基站至多可装载七个飞行器，充分利用了火星探测器的内部空间，节省空间成本条件。

23、本发明使用方式简便、能耗低、质量轻、探测范围广且使用寿命长。种毛内部的形状记忆合金丝只需连接舱中的能源系统提供较小的电流，即可改变种毛的曲率，使得飞行探测过程中飞行器整体姿态稳定。

1.一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器，其特征在于，所述火星低空飞行器包括种毛(1)、连接舱(2)和挂载舱(3)；

2.根据权利要求1所述的火星低空飞行器，其特征在于，所述种毛(1)的材料为碳纤维，所述种毛(1)的腔体的中空度约为60％，内腔充满氢气或氦气，每一条所述种毛(1)的腔体中均有记忆合金丝。

3.根据权利要求1所述的火星低空飞行器，其特征在于，所述种毛(1)共有30条，每一条所述种毛(1)的横截面直径为0.2mm，长度为19mm。

4.根据权利要求1所述的火星低空飞行器，其特征在于，所述连接舱(2)内部放置导航模块和控制种毛(1)内部形状记忆合金丝的控制模块。

5.根据权利要求1所述的火星低空飞行器，其特征在于，所述种毛(1)的固定端与连接舱(2)固定连接。

6.一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的基站，其特征在于，所述基站用于装载如权利要求1-5任一所述的火星低空飞行器并为其充电，所述基站包括顶盖(4)、密封罩、密封罩导轨(5)和基座(6)，所述基站整体呈圆柱体，所述基座(6)装入密封罩内，所述密封罩的顶端设置顶盖(4)，所述密封罩上设置密封罩导轨(5)，所述密封罩导轨(5)呈圆弧状，所述密封罩的移动门沿着密封罩导轨(5)滑动开闭，所述基座(6)内置蓄电池和充电设备。

7.根据权利要求6所述的基站，其特征在于，一个所述基座(6)至多可以为七个飞行器进行充能。

8.根据权利要求1-5所述一种基于萝藦果种子的火星低空飞行器的工作方法，其特征在于，所述工作方法为，

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述基站装载在火星探测器的内部，火星探测器的密封罩打开，火星探测器的机械臂使整个基站倒置。

10.一种如权利要求1-6任意一项所述火星低空飞行器及其基站应用于火星低雷诺数环境。