針對未來載人火星探測和火星基地建設過程中對風力資源利用的需求,回顧了人類對火星大氣與風的探測歷史,總結了火星風力資源的賦存與分布情況,著重對火星風力資源的利用途徑如風力發(fā)電、風滾草探測器等進行了綜合分析。在此基礎上總結了火星風力資源利用中存在的問題,并提出對未來火星風力資源利用的展望:需要加強對火星大氣環(huán)境與風力條件的探測,為風力資源利用提供基礎數據;結合火星環(huán)境條件開展風電設備的研究;積極探索新技術在火星風力資源開發(fā)中的應用。最后,提出了火星風力資源利用的新思路,需要在火星探測與開發(fā)的不同階段,循序漸進地利用火星資源。 

【文章來源】：載人航天. 2020,26(03)北大核心CSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

火星的大氣結構及表面風的作用(修改自NASA)

火星夏季最熱的地方不是赤道區(qū),而是在熱帶或亞熱帶,這導致單一層次的哈德萊環(huán)流從最熱處上升,向南北分開2個支流(其中一支跨過赤道),到高緯度地區(qū)再進行沉降。冬季半球高緯區(qū)溫度變化大,會出現周期性的斜壓波來向上轉移能量,維持季節(jié)性CO2極冠云邊緣的東西強急流。冬季北緯區(qū),CO2凝結,氣壓降低,從而產生流向極區(qū)的凝聚流,向極區(qū)轉移物質。火星上層氣流從太陽直射的照熱區(qū)上升,流向周圍別處,而底層氣流又流向照熱區(qū),形成熱潮汐風[6]。大氣環(huán)流可以用大氣環(huán)流模型(General Circulation Model,GCM)進行模擬,GCM主要用來模擬火星低層大氣環(huán)流,其中有一些也可以拓展至中高層大氣。然而,研究發(fā)現45 km以上的火星中層大氣運動對模型非常敏感,因此很難在沒有足夠的觀測數據的情況下進行精確模擬。

火星風力資源的分布與大氣密度和風速的分布密切相關。正常情況下,火星表面的大氣密度主要受到高程的影響,Chamitoff等[12]指出火星表面高程低于-2 km的區(qū)域具有足夠的大氣密度可供風力資源的開發(fā)利用。依據MOLA激光高程數據,可以得到火星表面滿足要求的區(qū)域分布圖(圖3,圖中黑色區(qū)域為高程大于-2 km)。另一方面,火星表面的坡度對于風速有重要的影響,較長的緩坡區(qū)域通常存在較高的風能[31]。例如,1 km以上的斜坡,溫度變化超過15 ℃,風速可以達到25 m/s [32]。斜坡區(qū)域的分布如圖 4 中白色區(qū)域所示[33]。此外,局部地形對于風速也有巨大的影響。在某些環(huán)形山周圍可能存在馬蹄形大氣渦旋,導致較高的風速;盾狀火山或大型盆地的低角度斜坡上可能在地表以上25 m處產生25～33 m/s的風速;丘陵溝谷的風道,風力更為可觀。圖4 具有較高風能開發(fā)潛力的區(qū)域(白色區(qū)域)[33]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]國外火星低空飛行器技術發(fā)展研究[J]. 董捷,饒煒,孟林智,王闖,楊超,萬志強,蔣崇文.  航天器工程. 2017(01)
[2]火星及其環(huán)境[J]. 歐陽自遠,肖福根.  航天器環(huán)境工程. 2012(06)
[3]變速風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術綜述[J]. 凌禹,張同莊.  電力自動化設備. 2008(03)
[4]中國風能資源貯量估算[J]. 薛桁,朱瑞兆,楊振斌,袁春紅.  太陽能學報. 2001(02)

碩士論文
[1]基于DEM-CFD方法的火星塵顆粒對航天器作用機理的研究[D]. 薛萍萍.哈爾濱工業(yè)大學 2018



本文編號：3340901