逯運通，張正峰，傅子敬，張旭輝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

空間粒子探測是空間科學與深空探測研究的熱點方向之一，對于研究太陽系的起源具有十分重要的作用，受到了歐美等國的高度關注。美國開展了以太陽風粒子、空間塵埃等為目標的采樣返回探測任務，截至目前，共開展2次粒子采樣返回任務：“星塵號”（見圖1）和“起源號”（見圖2）?！靶菈m號”探測器以收集彗星塵埃和星際塵埃為目標，于1999年2月7日發(fā)射；2004年1月2日探測器在距81P/Wild 2彗星240 km處飛過，收集了彗發(fā)的塵埃樣品，并拍攝了冰彗核的詳細照片；2006年1月15日凌晨，“星塵號”返回艙成功著陸在UTTR西北部的試驗著陸區(qū)[1]。

圖1 “星塵號”探測器飛行效果圖及回收后狀態(tài)Fig.1 The configuration of the Stardust spacecraft during flight and after landing

“起源號”探測器的任務是采集太陽風塵微粒并返回地球，于2001年8月8日發(fā)射，2001年11月6日到達日地第一拉格朗日點的任務軌道，并開展長達850 d、往返飛越300多萬km的太陽風粒子收集任務；2004年9月8日，“起源號”返回艙在第二宇宙速度下以彈道式再入方式返回地球，由于加速度開關安裝錯誤，降落傘未能及時打開，造成樣品返回艙摔壞[2]。

圖2 “起源號”探測器飛行效果圖及回收后狀態(tài)Fig.2 The genesis spacecraft during flight and after landing

本文首先對“星塵號”“起源號”兩個典型的粒子采樣返回探測器的構型進行了分析，總結歸納了該類探測器及其返回艙的構型特點，結合我國月地高速再入返回飛行器的構型特點，提出了一種開展深空粒子采樣返回任務可采用的探測器構型。

1 國外粒子采樣返回探測器構型

1.1 “星塵號”探測器

1.1.1 探測器構型

“星塵號”探測器由一個長方形的服務平臺和流線型返回艙組成，幾何尺寸為1.7 m×0.66 m×0.66 m，重量為385 kg，其中返回艙46 kg，推進劑85 kg?！靶菈m號”探測器的設計理念是盡量采用簡單的設計，較少采用鉸接機構，并大量繼承以往空間探測器留下的部件和設計。

探測器服務平臺為長方形，外面板采用碳纖維復合材料，內部使用鋁蜂窩結構；兩側各設置1個太陽能電池帆板，其發(fā)射時為收攏狀態(tài)，入軌后展開，展開長度為4.8 m，展開面積為6.6 m2，太陽能電池帆板為固定式，無法調整方向；“星塵號”探測器的天線包括1個直徑0.6 m的拋物面形高增益發(fā)射接收天線、1個中增益發(fā)射天線和3個低增益接收大線，均布置于探測器的側面，其中高增益天線為固定式，無法調整方向；為了防備飛過彗星時高速塵埃顆粒擊傷儀器，在探測器前面設置惠普爾防護裝置，由5層碳纖維和陶瓷纖維織物組成，可以有效保護探測器的安全?！靶菈m號”探測器的構形如圖3所示[4-5]。

圖3 “星塵號”探測器構型Fig.3 The configuration of the Stardust spacecraft

“星塵號”探測器采用氣溶膠塵埃收集器收集彗星塵埃和星際粒子，它平時折疊收藏在探測器樣品返回艙中，工作時返回艙的艙門打開，塵埃收集器從中伸出。收集器可以兩面使用，當探測器以6 km/s的速度飛掠彗核表面時，利用格柵正面捕獲彗星塵埃微粒；當探測器與高速運動的星際粒子束流大致同一方向飛行時，由于粒子束流的速度比探測器快約為25 km/s，可以利用格柵的反面來捕獲星際粒子。在捕捉不同的物質時，“星塵號”探測器的構形不同，特別是捕獲方向不同，探測器捕獲彗星塵埃和星際塵埃時的構型如圖4所示[5]。

圖4 “星塵號”探測器收集樣品時構型Fig.4 The configuration of the Stardust spacecraft during collecting sample

1.1.2 返回艙構型

樣品返回艙位于探測器的尾部，它的任務就是存儲并保護好“星塵號”飛行期間收集的彗星與星際塵埃粒子，并安全地將它們帶回地球?！靶菈m號”返回艙外形如圖5所示。返回艙的前半部分是60°半錐角圓錐形狀，頭部半徑為0.22 m，肩部半徑0.02 m，最大直徑為0.811 m，后半部分是一個被截平的30°半錐角形狀，底部直徑為0.494 m[6]。

圖5 “星塵號”探測器返回艙外形Fig.5 The configuration of the Stardust sample return capsule

返回艙的結構如圖6所示，防熱結構采用PICA和SLA-561材料，分為后殼和防熱大底2部分組成，二者通過鉸鏈打開和關閉，并通過鎖定機構鎖定。返回艙頭部安裝傘艙，設置降落傘，內部安裝有氣溶膠塵埃收集器、能拍攝高分辨率照片的相機、能獲取彗星數據的其他科學儀器及電子設備。返回艙收集彗星塵埃粒子時，后殼結構像蚌殼一樣打開，釋放出氣溶膠塵埃收集器來捕獲塵埃粒子，待取樣完成后，氣溶膠塵埃收集器能自動向下折疊收進返回艙，納入密封的樣品儲存罐內，最后后殼像蚌殼一樣合攏封閉起來[5]。

圖6 “星塵號”探測器返回艙構型Fig.6 The diagram of the Stardust sample return Capsule

1.2 “起源號”探測器

1.2.1 探測器構型

“起源號”探測器由探測器服務平臺和返回艙組成，如圖7所示。探測器長2.3 m，寬2 m，太陽電池翼展開跨度為7.9 m。探測器發(fā)射重量636 kg，其中返回艙重量206 kg，推進劑142 kg。“起源號”探測器服務平臺是一個矩形艙板結構，艙板上安裝了工程部件和科學儀器，中增益天線安裝在艙板下側，低增益天線安裝在太陽翼上?！捌鹪刺枴碧綔y器上的4套科學儀器由8種有效載荷組成，包括3個專用采集器陣列、2個塊狀采集器陣列、1個集中器、1臺離子檢測儀和1臺電子監(jiān)測儀。發(fā)射階段2個太陽翼收攏在一起，發(fā)射入軌后釋放，太陽翼的收攏、展開和鎖定通過鉸鏈及鎖定機構完成[2]。

圖7 “起源號”探測器構型Fig.7 The configuration of the Genesis spacecraft

1.2.2 返回艙構型

“起源號”返回艙氣動外形如圖8所示。返回艙的前端與“星塵號”返回艙相似，但后端由兩個錐截面組成，其中第一個錐截面的倒錐角為20°，第二個錐截面的倒錐角為61.6°。整艙直徑為1.52 m，高度0.964 m[8-9]。

圖8 “起源號”探測器返回艙外形Fig.8 The configuration of the Genesis sample return capsule

“起源號”返回艙構型如圖9所示，是一個直徑1.52 m的鈍頭錐體，由5個主要組成部分：防熱大底、后罩、科學容器、降落傘系統(tǒng)和電子設備。其中降落傘系統(tǒng)布置于返回艙的頂部，其引導傘布置在頂部中心位置，主傘布置于引導傘的周圍；科學容器布置于返回艙中部，內部安裝太陽風采集陣列及離子收集器，收集陣可通過中心旋轉機構展開；電子設備布置在樣品回收容器的周圍，安裝在設備安裝板上。返回艙的后罩和防熱大底通過外部鉸鏈進行打開或關閉，為了避免其影響返回艙的氣動和熱防護，在返回前與返回艙分離[2,7]。

圖9 “起源號”探測器返回艙構型Fig.9 The diagram of the Genesis sample return capsule

1.3 國外粒子采樣返回探測器構型特點

國外粒子采樣返回探測器的構型主要有以下特點：

1）探測器的構型普遍分為2個艙段，即服務平臺和返回艙，其中服務平臺采用長方形箱體結構或板型結構，返回艙采用球錐外形；

2）樣品收集器布置于返回艙內，發(fā)射和返回時樣品收集器折疊或收攏在返回器艙內，收集樣品時樣品收集器展開進行粒子捕獲；

3）返回艙主結構主要分為防熱大底、后罩和設備安裝板，其中后罩和防熱大底可通過鉸鏈打開和關閉，設備安裝板主要用于安裝返回艙的電子設備；

4）返回艙裝器設備主要分為三類：傘系、樣品收集裝置及科學容器、電子設備，傘系安裝在返回艙的頭部，電子設備主要安裝在艙內的儀器艙板上，樣品收集器及科學艙安裝在返回艙中部；

5）探測器服務平臺的任務主要是服務于返回艙，其構型設計主要是適用于承載返回艙、太陽翼、天線、推進貯箱和其他電子設備，國外主要采用簡單、成熟的長方形箱體結構和艙板結構。

2 我國深空粒子采樣返回探測器構型設想

2.1 探測器構型

截止到目前，我國尚未發(fā)射深空粒子采樣返回任務的探測器。不過我國已于2014年底完成月地高速再入返回試驗任務，對我國開展粒子采樣返回探測任務具有一定的借鑒意義。月地高速再入返回飛行器采用艙器聯合設計的方式，由服務艙和返回器組成，探測器構型示意如圖10所示；返回器采用鐘罩側壁加球冠大底的構型，服務艙主體采用長方形箱體結構構型，返回器通過結構支架安裝于服務艙艙體頂端，艙器間設置推桿、火工鎖等產品用于艙器的連接、解鎖和分離[3]。

圖10 月地高速再入返回飛行器構型Fig.10 The configuration of circumlunar return and reentry spacecraft

鑒于國外粒子采樣返回探測器的構型特點，和我國已經完成月地高速再入返回任務的技術基礎，我國粒子采樣返回探測器的構型設計形式可借鑒月地高速再入返回飛行器，并根據任務特點對設備的配置和布局進行適應性的修改，以充分繼承現有成熟技術，提高任務成功的可靠性。探測器的構型可以采用多種方式，本文介紹一種基于充氣式粒子收集器對應的構型方式，探測器由服務平臺和返回器組成，返回器安裝于服務平臺的頂部，如圖11所示。返回器內部設置充氣式采樣器，用于完成太陽風粒子或空間塵埃等深空粒子收集、再入返回等任務。

圖11 深空粒子采樣返回探測器發(fā)射狀態(tài)構型Fig.11 The configuration of sampling and return spacecraft's configuration during launch

探測器在收集太陽風等動能較小的深空粒子時，太陽翼保持展開狀態(tài)；在收集高速塵埃等動能較大的粒子流時，將太陽翼收攏，并采用蓄電池供電，以保護太陽翼不受損傷。探測器收集深空粒子時的構型如圖12所示。

圖12 深空粒子采樣探測器飛行狀態(tài)構型Fig.12 The configuration of sampling and return spacecraft's configuration during fight

服務平臺主要用于支撐返回器和為探測器提供能源、通信、姿軌控等服務，采用中心承力筒+蜂窩板的長方形箱體結構，尺寸包絡為0.8 m×0.8 m×1.1 m，重量約為500 kg，攜帶推進劑300 kg，星體兩側設置兩個可進行重復展開和收攏的太陽翼；推進器貯箱布置于承力筒內部；其他設備，如GNC設備、天線、電源、推進設備等遵循分系統(tǒng)設備集中布置原則，分布于艙體的各艙板上，側面安裝有一個能夠適應于深空通信的高增益天線。

2.2 返回器構型

返回器用于完成太陽風粒子或空間塵埃等深空粒子收集、再入返回等任務。為了適應粒子采樣器的布局、提高內部空間使用效率和減輕重量，返回器采用倒錐側壁+球冠大底的構型，橫向包絡和高度均為0.5 m左右，重量為80 kg左右，承載容積0.07 m3。返回器構型分為前端、側壁和后端三部分，如圖13所示。前端布置有樣品容器艙和傘艙，內部分別設置充氣式粒子收集器和減速傘；側壁布置天線系統(tǒng)、推進系統(tǒng)及其他小型電子設備；后端大梁是安裝器內主要電子設備的部位，后端大底是緩沖著陸沖擊載荷的關鍵部位，僅安裝少量測量用傳感器[10]。返回器從外向內依次為防熱結構、金屬承力結構；前端、側壁為承力金屬內層+防熱外層的雙層結構，大底為防熱與承力一體化設計的大底。

圖13 返回器外形及構型分解圖Fig.13 The configuraion of the return capsule

根據采樣任務需求，返回器前端安裝一個樣品艙，并配備一個可打開和關閉的艙蓋，樣品艙內部設置一個充氣展開、放氣收縮的粒子收集器，重量約為1 kg，展開面積為0.5 m2左右；收集器采用高彈性高強度材料，初始為收縮狀態(tài)。在探測器到達采樣位置后，返回器打開艙蓋，采樣收集器充氣展開并進行粒子收集，待采樣完成后，將收集器放氣收攏回返回器樣品艙內，關閉艙蓋完成粒子收集任務。返回器粒子采集過程的構型如圖14所示。

圖14 返回器粒子收集過程構型圖Fig.14 The configuration of the return capsule during collecting sample

2.3 構型特點

設想的粒子采樣返回探測器的構型主要有以下3個特點：

1）探測器的構型借鑒了月地高速再入返回飛行器，采用服務平臺和返回器，服務平臺構型為長方形箱體結構，返回器采用倒錐側壁加球冠大底的構型；

2）樣品收集器采用充氣式，布置于返回器內，發(fā)射和返回時樣品收集器收攏于在返回器艙內，收集樣品時樣品收集器充氣展開，進行粒子捕獲，充氣式采樣器具有體積小、重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實施簡單等特點；

3）探測器的太陽翼可進行重復的展開和收攏，能夠適應收集不同類型深空粒子的需求。

3 結束語

本文針對國外粒子采樣返回探測器的構型進行了分析，梳理了該類探測器的構型特點，結合我國月地高速再入返回飛行器的構型設計，提出了我國開展深空粒子采樣返回任務的探測器構型。探測器采用服務平臺加返回器的構型形式，可以較好地適應我國已有的技術基礎，有利于降低成本和提高可靠性；采用充氣式采樣器進行粒子收集，具有體積小、重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實施簡單等特點；采用了可重復收攏展開的太陽翼，能夠適應收集不同類型深空粒子的需求。本文提出的構型方案可以為后續(xù)深空粒子采樣返回任務的構型設計提供參考借鑒。