柏江 張熇 陳向東 李飛 傅子敬 張旺軍

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計的任務(wù)就是要滿足載荷、控制、電源、測控、數(shù)據(jù)傳輸、熱控等設(shè)備的指向和安裝要求[1]。對于嫦娥四號著陸器，除了常規(guī)的構(gòu)型設(shè)計要求外，還要采用成熟的構(gòu)型形式，確保工程實施的可靠度，目前缺乏對月球背面著陸器構(gòu)型的相關(guān)研究。

低頻射電頻譜儀、月球中子及輻射劑量探測儀、科普載荷等設(shè)備是嫦娥四號著陸器重要的載荷[2]，在月球背面進(jìn)行電磁探測可有效避免來自地球等環(huán)境的干擾，為了在地面測試過程中可以更好地模擬真實的測試環(huán)境，提出了復(fù)雜的安裝指向、電磁隔離、熱控、光照等要求[3]。著陸器構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)就是要滿足載荷設(shè)備的復(fù)雜要求，滿足著陸器為適應(yīng)中繼衛(wèi)星發(fā)射窗口、著陸器著陸區(qū)域等的不確定性，對天線的布局和指向嚴(yán)格的約束條件，同時還要求著陸器的構(gòu)型布局設(shè)計具有較好的總裝可操作性，方便地面總裝、測試、運輸?shù)取?/p>

本文通過構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計，有效解決了著陸器、中繼衛(wèi)星共12個備選發(fā)射窗口組合以及著陸姿態(tài)偏差導(dǎo)致天線動態(tài)指向包絡(luò)過大的難題。實現(xiàn)了對力學(xué)振動響應(yīng)敏感載荷設(shè)備的機械安裝角度調(diào)整、熱控隔離、視場及光照等嚴(yán)苛的布局要求。

1 載荷構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計與驗證

嫦娥四號著陸器很多設(shè)備和載荷的布局約束條件比較嚴(yán)苛，既要兼顧已有的設(shè)備布局，又需要根據(jù)新的工程目標(biāo)和科學(xué)探測需求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，以載荷使用需求為目標(biāo)進(jìn)行了多約束條件下的優(yōu)化布局。

1.1 低頻射電頻譜儀

低頻射電頻譜儀的布局見圖1，低頻射電頻譜儀包含電子學(xué)箱、前置放大器、3個展開長度為5 m的天線兩兩正交來接收來自空間的低頻信號，并通過前置放大器信號處理后傳輸至電子學(xué)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其布局在空間、熱控、絕緣等方面均有非常嚴(yán)格的要求。需要控制前置放大器與3個低頻天線的距離，來保證天線頭部與前置放大器的阻值相同的要求；低頻天線相互之間絕緣，與結(jié)構(gòu)艙板之間絕緣，與前置放大器為導(dǎo)通狀態(tài)。

由于低頻射電頻譜儀天線A、B、C在艙板上的長度約600 mm，天線的軸線需要兩兩正交，且需要保證天線的展開通道內(nèi)無遮擋和干涉，結(jié)合著陸器上其他設(shè)備的布局要求，著陸器結(jié)構(gòu)艙板上的空間已經(jīng)無法滿足低頻射電頻譜儀天線的安裝要求。

將天線B、C按90°夾角在平面上形成一個組件，在著陸器中心艙頂板上遍歷尋找合適的安裝位置，見圖1，需要將天線B跨中心艙和-Z艙結(jié)構(gòu)艙板安裝，通過整體機加確保不同結(jié)構(gòu)艙板的平面度滿足要求，通過特殊設(shè)計天線安裝接口以適應(yīng)在不同結(jié)構(gòu)艙板上的重復(fù)安裝精度，并充分利用器上已有設(shè)備的間隙來滿足天線展開通道無遮擋和干涉的要求。根據(jù)天線B、C的位置確定天線A的位置，考慮到天線A附近已有設(shè)備較多，需設(shè)計偏置支架確保天線A的剛度滿足要求。根據(jù)天線A、B、C的位置，考慮電纜通道要求，確定前置放大器的位置。根據(jù)電纜長度要求及電子學(xué)箱的溫度要求，將電子學(xué)箱布局在-Y艙內(nèi)。

圖1 低頻射電頻譜儀布局位置示意圖

圖2顯示了低頻射電頻譜儀天線的接口關(guān)系，由于低頻射電頻譜儀天線與結(jié)構(gòu)艙板之間有絕緣、隔熱、導(dǎo)通等要求，而天線由展開機構(gòu)、繞線機構(gòu)、火工品等部件組成，因此對天線的多層進(jìn)行了特殊設(shè)計，首先在天線展開部件外安裝一層聚酰亞胺襯膜，既起到絕緣作用，又能保護(hù)展開機構(gòu)，將展開機構(gòu)、繞線機構(gòu)、火工品的多層分別設(shè)計，并與結(jié)構(gòu)艙板多層之間采用絕緣多層進(jìn)行搭接。在天線安裝接口中，設(shè)計了絕緣及隔熱裝置、多層隔離裝置、前置放大器導(dǎo)線連接裝置等，可以滿足低頻射電頻譜儀的安裝和測試要求。

圖2 低頻射電頻譜儀天線接口示意圖

1.2 月球中子及輻射劑量探測儀(LND)及科普載荷

月球中子及輻射劑量探測儀為國際合作載荷，科普載荷為搭載載荷。LND月晝期間需打開結(jié)構(gòu)艙板進(jìn)行科學(xué)探測，月夜期間需要關(guān)閉結(jié)構(gòu)艙板進(jìn)行保溫；LND探頭需要與著陸器進(jìn)行隔熱設(shè)計，并確保其視場范圍內(nèi)無遮擋，而LND本體需利用艙板的熱管進(jìn)行導(dǎo)熱?？破蛰d荷探頭需要接收陽光以進(jìn)行光合作用，艙蓋機構(gòu)的運動應(yīng)不遮擋陽光照射，科普載荷本體與著陸器進(jìn)行隔熱設(shè)計。

針對LND、科普載荷的特殊布局要求，考慮小艙內(nèi)已有設(shè)備的安全距離，相關(guān)設(shè)備布局位置見圖3，制定了受限空間內(nèi)載荷的布局策略。確保滿足LND布局要求的情況下，盡可能多的預(yù)留科普載荷的安裝空間，需要縮減艙蓋機構(gòu)蓋板及開孔的尺寸，以增大科普載荷的展示度。將LND設(shè)備本體通過支架抬升并旋轉(zhuǎn)一定角度，以滿足其視場指向要求。LND探頭與艙板之間的多層搭接采用“漏斗多層”的形式實現(xiàn)其熱控隔離的要求?？破蛰d荷整體外廓為熱控多層及散熱面狀態(tài)，安裝接口不可見，將科普載荷采用“吊裝”的形式實現(xiàn)“盲連接”(艙板端為通孔，設(shè)備端為螺紋孔且不可見)[4]?？破蛰d荷與著陸器為隔熱設(shè)計，通過小艙頂板的開孔與著陸器進(jìn)行熱控多層搭接。LND視場及科普載荷光照見圖4。

圖3 LND及科普載荷布局位置示意圖

圖4 LND視場及科普載荷光照示意圖

1.3 同位素溫差電池(RTG)

同位素溫差電池主要有兩個功能：①為著陸器提供月夜保溫的熱源；②為月夜溫度采集提供電能。RTG質(zhì)量重、尺寸大、溫度高、表面有白漆及多層隔熱材料，且具有一定的放射性，需要發(fā)射前在發(fā)射塔架上安裝，其安裝工序非常復(fù)雜，危險性高，涉及到熱控、電纜、管路等接口，構(gòu)型布局約束較多。

RTG的布局應(yīng)考慮著陸器上其他同位素源的位置，使其熱能與電能可以充分利用，并盡量遠(yuǎn)離低頻射電頻譜儀，月球中子及輻射劑量探測儀等科學(xué)探測設(shè)備；在地面測試期間，采用無放射性的模擬產(chǎn)品，構(gòu)型布局需適應(yīng)飛行及地面測試的要求，并確保產(chǎn)品和人員的安全；RTG需要在發(fā)射場的發(fā)射塔架上安裝飛行產(chǎn)品，應(yīng)確保產(chǎn)品的安裝與運載火箭、發(fā)射場塔架等系統(tǒng)的匹配性。

RTG接口復(fù)雜，涉及到設(shè)備機械安裝接口、與重力輔助兩相流體回路管路連接接口、與月夜溫度采集系統(tǒng)的電路接口、與熱控分系統(tǒng)相關(guān)的導(dǎo)熱脂、白漆、多層等接口，結(jié)合著陸器上其他設(shè)備的布局要求，著陸器結(jié)構(gòu)艙板上的空間已經(jīng)非常受限。綜合考慮輔助裝器裝置的預(yù)留空間、與器上其他設(shè)備的最小距離要求、管路操作以及電纜操作的便利性等因素，確定了RTG的布局位置，見圖5。

圖5 RTG布局位置示意圖

RTG的安裝需采用輔助裝器裝置，在艙板上開安裝接口，并在RTG與結(jié)構(gòu)艙板的安裝接口上設(shè)置導(dǎo)向裝置，此外在運載火箭整流罩上設(shè)計了操作口和觀察口。通過具有3個移動自由度的輔助裝器裝置及通過人機工程模擬操作[5]，最終既滿足RTG的安裝和測試要求，也確保產(chǎn)品和人員的安全，見圖6。

圖6 RTG輔助裝器裝置及人機工程模擬示意圖

2 天線構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計與驗證

嫦娥四號中繼衛(wèi)星工作軌道為1.2萬千米的halo軌道，在著陸器構(gòu)型布局設(shè)計階段，中繼衛(wèi)星尚未發(fā)射。根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，需考慮不同的發(fā)射窗口對軌道的影響，其中中繼衛(wèi)星有8個發(fā)射窗口，著陸器有4個發(fā)射窗口，同時考慮著陸器的著陸姿態(tài)偏差[6]。

在中繼衛(wèi)星發(fā)射窗口、著陸器發(fā)射窗口、著陸點偏差等因素不確定的影響下，中增益天線的布局變得非常困難，需要設(shè)計一個高度角和方位角能覆蓋中增益天線指向動態(tài)包絡(luò)的方案。由于布局空間受限，需考慮對其他敏感器的視場遮擋、對其他機構(gòu)的運動空間避讓等問題。

中繼衛(wèi)星和著陸器的多個發(fā)射窗口組合，同時考慮著陸器的著陸姿態(tài)偏差，中繼衛(wèi)星對著陸器的指向范圍跨度太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出中增益天線的視場范圍，無法同時覆蓋中繼衛(wèi)星的不同發(fā)射窗口。中增益天線的布局受定向天線的運動包絡(luò)范圍、低頻射電頻譜儀天線的展開通道約束，通過中增益天線自身的設(shè)計無法同時滿足俯仰角、方位角的指向要求。通過天線單機與艙板布局聯(lián)合設(shè)計的方式可實現(xiàn)這個目標(biāo)，俯仰角由中增益天線的角度調(diào)節(jié)實現(xiàn)，方位角通過結(jié)果艙板的開孔實現(xiàn)[7]。在中繼衛(wèi)星按主份窗口發(fā)射后，著陸器的中增益天線按主份位置安裝，利用較小的代價解決了中繼衛(wèi)星指向范圍較寬的難題，見圖7。天線的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過電性能測試、力學(xué)試驗、熱試驗、機構(gòu)展開試驗等地面試驗的驗證，并經(jīng)歷了在軌飛行和月面工作驗證，功能與性能滿足要求。

圖7 中增益天線布局位置示意圖

3 輕量化構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計與驗證

著陸器的質(zhì)量資源非常緊張，需要進(jìn)行輕量化構(gòu)型設(shè)計。電纜網(wǎng)絡(luò)路徑的優(yōu)化設(shè)計會對著陸器質(zhì)量的降低帶來明顯的效果，同時通過統(tǒng)籌設(shè)備布局及著陸器質(zhì)量特性的準(zhǔn)確計算，可以有效減少配重，從而降低著陸器平臺質(zhì)量。

3.1 電纜網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化

發(fā)射及飛行狀態(tài)電纜，按著陸器總裝可實現(xiàn)的最短路徑設(shè)計，可實現(xiàn)飛行狀態(tài)電纜質(zhì)量最輕的目標(biāo)。在地面測試過程中，需要設(shè)計地面電纜，可采用成本更低廉、狀態(tài)更可控、且可多次重復(fù)利用的產(chǎn)品。

著陸器電纜常規(guī)路徑與最短路徑的對比見圖8，其中圖8(a)所示最短路徑相比常規(guī)路徑，電纜長度節(jié)省比例達(dá)43.6%；圖8(b)所示最短路徑相比常規(guī)路徑，電纜長度節(jié)省比例達(dá)83.9%。采用最短路徑法，將非常有效地節(jié)省飛行電纜質(zhì)量。由于減少了開艙、合艙過程中轉(zhuǎn)軸處的電纜束數(shù)量、長度余量，有效減少電纜束在開艙、合艙過程中的擠壓、拉拽發(fā)生概率。

通過對電纜線規(guī)和轉(zhuǎn)彎半徑等準(zhǔn)確定義，實現(xiàn)對電纜質(zhì)量的精確計算[8]。通過對單根電纜走向及長度的迭代，確保電纜路徑為最優(yōu)規(guī)劃。確保電纜長度在各種約束下為最短設(shè)計，從而實現(xiàn)在確?？煽啃缘那疤嵯码娎|質(zhì)量大大降低。

通過路徑優(yōu)化設(shè)計、電纜分支長度公差精細(xì)化、差異化控制，電纜網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化效果明顯，電纜長度有效減少，電纜網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量計算結(jié)果及與實測結(jié)果對比情況吻合度較高。相比嫦娥三號著陸器電纜網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量減輕11.4 kg，減輕比例達(dá)16.9%。

圖8 電纜網(wǎng)常規(guī)路徑與最短路徑對比示意圖

3.2 統(tǒng)籌設(shè)備布局優(yōu)化

嫦娥四號著陸器相對嫦娥三號著陸器，由于配置了更多的滿足工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)的設(shè)備，干重余量減少。為了確保發(fā)射質(zhì)量滿足運載火箭的要求，需要對結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電纜、管路等的質(zhì)量特性進(jìn)行準(zhǔn)確計算，并根據(jù)計算結(jié)果對設(shè)備布局進(jìn)行針對性調(diào)整，減少配重。我國部分航天器相關(guān)配平參數(shù)見表1。

表1 質(zhì)量特性配平參數(shù)表

結(jié)合著陸器的質(zhì)量特性要求，通過與構(gòu)型布局的相互迭代，對質(zhì)量特性進(jìn)行了準(zhǔn)確計算。在不改變嫦娥三號著陸器已有設(shè)備布局的情況下，著陸器Y向、Z向質(zhì)心與要求值偏差太大。著陸器的Y向質(zhì)心偏差通過調(diào)整“質(zhì)量差”相當(dāng)?shù)脑O(shè)備在±Y艙位置互換的方式，比如有效載荷電控箱由-Y艙調(diào)整至+Y艙，基本實現(xiàn)Y向質(zhì)心的零配重要求[9]。著陸器的Z向質(zhì)心偏差主要是由著陸器的“大質(zhì)量載荷”(巡視器)造成的，利用著陸器力臂遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巡視器力臂的特點，從嫦娥四號探測器系統(tǒng)優(yōu)化的角度，在著陸器力臂最大的-Z側(cè)實施配重。經(jīng)過布局優(yōu)化調(diào)整，質(zhì)心精度提高至0.1 mm，配重比降低至0.1%。

4 結(jié)束語

為了提高工程實施的可靠度，嫦娥四號著陸器的構(gòu)型布局在很大程度上繼承了嫦娥三號著陸器的構(gòu)型布局設(shè)計成果。采用多目標(biāo)約束遍歷優(yōu)化方法進(jìn)行了以天線視場指向等使用需求為目標(biāo)、載荷的機電熱光等接口要求為約束條件、單機設(shè)備和結(jié)構(gòu)艙板迭代優(yōu)化布局的聯(lián)合設(shè)計。經(jīng)過適應(yīng)性的修改和構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計，可滿足嫦娥四號任務(wù)在多目標(biāo)約束的復(fù)雜安裝、指向、質(zhì)心等要求。經(jīng)過地面總裝、測試和試驗，并經(jīng)歷了在軌工作驗證，著陸器構(gòu)型布局設(shè)計合理正確。