楊艷靜，樊世超，張俊剛，楊 江，張文兵，王辰星

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

近年來隨著近地空間探索的成熟和發(fā)展，越來越多的空間機構(gòu)將未來的探測目標瞄向月球以及更遠的深空。從全球范圍來看，除了目前已經(jīng)開展深空探測的美國、歐洲、俄羅斯、中國、日本和印度等國家和組織外，韓國、阿聯(lián)酋、巴西等國也紛紛制定了月球和火星探測計劃，未來一段時間內(nèi)月球和火星探測任務將迎來高峰。

隨著深空探測任務復雜度的增加，其面臨的環(huán)境也更加復雜，需要考慮發(fā)射環(huán)境、在軌環(huán)境和著陸環(huán)境等多方面問題。在動力學環(huán)境方面，除了需要考慮和近地軌道探測航天器類似的環(huán)境剖面外，月球及深空探測中的動力學環(huán)境通常具有以下特點：

1）運載工具及產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量更大，帶來更加惡劣的發(fā)射環(huán)境；

2）月球和行星探測等任務通常涉及著陸、巡視探測和返回等復雜任務規(guī)劃伴隨著全新的環(huán)境挑戰(zhàn)；

3）未來長期載人任務給人機工程匹配、人工重力環(huán)境營造等提出了新的要求。

本文介紹了月球及深空探測主要的動力學環(huán)境，對現(xiàn)有月球和深空探測的主要動力學環(huán)境試驗進行了調(diào)研，在此基礎上提出了未來月球和深空探測面臨的動力學環(huán)境模擬的挑戰(zhàn)和建議，為未來月球及深空探測航天器環(huán)境條件設計和結(jié)構(gòu)設計提供參考。

1 月球及深空探測動力學環(huán)境

1.1 發(fā)射環(huán)境

月球和深空探測航天器在發(fā)射期間，和常規(guī)航天器一樣，需要經(jīng)歷嚴酷的振動、噪聲和沖擊環(huán)境等；并且通常由于產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量更大，需要采用大型運載火箭發(fā)射，例如探月三期任務、載人登月等都擬采用新一代運載火箭。

表1給出了新一代深空探測運載火箭的發(fā)射環(huán)境條件，表2給出了“嫦娥三號”任務運載火箭的發(fā)射環(huán)境條件。從表中數(shù)據(jù)可以看出，新一代深空探測運載火箭的發(fā)射環(huán)境條件要更加嚴酷。

表1 新一代深空探測火箭發(fā)射環(huán)境條件Table1 Launching environmental condition of deep space launch vehicle

表2 “嫦娥三號”火箭發(fā)射環(huán)境條件Table 2 Launching environmental condition of CE-3 mission

1.2 著陸環(huán)境

探測器著陸性能主要受星球表面環(huán)境的影響，也即土壤和表面地形環(huán)境[1]。以月球和火星為例，其表面都覆蓋有土壤，且不同區(qū)域有不同的地形地貌。

根據(jù)早期探測的結(jié)果，月面區(qū)域主要分為月海和高地區(qū)域。月海是月面上寬廣的平原，約占月面面積的17%。絕大多數(shù)的月海分布在月球正面（即朝向地球的一面），尤以北半球的月海分布更加顯著。高地是月球表面高出月海的地區(qū)，一般高出月球水準面約2～3 km，面積約占月面面積的83%。

月海和高地均覆蓋不同尺寸和形狀的石塊和撞擊坑。撞擊坑是指布滿月球表面的環(huán)形凹坑構(gòu)造，包括環(huán)形坑、輻射紋和與撞擊坑有關(guān)的隆起構(gòu)造。據(jù)統(tǒng)計，月球表面的撞擊坑總數(shù)在33 000個以上，尤其在月球高地更為密集[2]。盡管有撞擊坑，月海區(qū)域還是相對平坦，最大坡度約為17°，大部分坡度在0°～10°之間；比較而言，高地部分的起伏更大，最大坡度約為34°，一般為0°～23°[3-4]。

火星除表面覆蓋火壤外，表面形貌特征具有多樣性特點，有高山、峽谷、坑、盾形火山、河床、平地等，表面嚴重風化，有各種沙丘?；鹦潜砻嬗写罅康幕鹦强樱谀媳卑肭虻姆植己懿痪鶆颍耗习肭虻?/3區(qū)域坑化嚴重，絕大多數(shù)大坑集中分布在南半球；而北半球的火星坑較少，其1/3區(qū)域的火星坑相對較淺，意味著這些火星坑比較年輕。火星的多坑形貌特征，主要歸因于撞擊、火山和與水冰活動相關(guān)的各個過程相互作用的結(jié)果?；鹦强硬蝗缭虑蚩幽菢佣盖停@意味著火星上存在嚴重的風蝕[5]。

1.3 巡視探測環(huán)境

1）重力

月球車或火星車在不同的星表巡視探測時，其受到的重力環(huán)境與地球環(huán)境不同，例如月球重力加速度約為地球的1/6，而火星上的重力加速度為地球上的3/8。

2）月壤/火壤

月壤是由隕石和微隕石撞擊、宇宙射線和太陽風等持續(xù)轟擊以及大幅度晝夜溫差變化引起巖石熱脹冷縮破碎而形成的散體材料。根據(jù)Carrier 等的研究[6]，大部分月壤樣品主要由1 mm 以下的顆粒組成，典型月壤的中值粒徑在40～130μm 之間，平均中值粒徑為70μm。典型月壤的粒徑級配如圖1所示。

圖1 月壤顆粒級配曲線Fig.1 Lunar soil particlesize distributions

巡視器移動性能除了受地形地貌影響外，還會受到土壤機械性質(zhì)的影響。

根據(jù)前期月球探測成果，表層月壤的力學性質(zhì)如表3所示[7]。

表3 表層月壤的力學性質(zhì)Table3 Mechanical propertiesof lunar soil

火星表面也覆蓋有一層由風化作用產(chǎn)生的碎裂物形成的風化層，也即火壤。“海盜號”任務獲得的火壤主要物理力學特性見表4[8]。

表4 “海盜號”任務獲得的火壤的力學性質(zhì)Table 4 Mechanical properties of Martian regolith by Viking and pathfinder mission

3）月塵/火星塵

月塵是月球土壤中的細小成分，一般將粒徑小于1 mm 的月壤顆粒稱為月塵。月塵是月球形成過程中隕石體反復撞擊而產(chǎn)生的未黏結(jié)的顆粒物質(zhì)，主要由晶質(zhì)顆粒與較大的火成巖碎塊、剝離質(zhì)碎片及微粒金屬顆粒組成。月塵散布于月球表面的各個角落，在微流星、靜電懸浮、人類活動等因素下四散飛揚，可對航天員和航天器產(chǎn)生巨大危害。根據(jù)“阿波羅”計劃總結(jié)報告，月球塵埃曾給探月任務的實施造成諸多麻煩[9]。

火星大氣中含有明顯的塵埃，由于火星表面氣壓較低，因此浮塵很容易在太陽的照射下加速運動并形成塵暴。塵暴中的顆粒具有很強的侵入性，這種侵入性取決于顆粒的大小、硬度和形狀。塵暴中的顆粒碰撞摩擦會產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，這種放電會對火星探測器元器件造成損傷并降低其使用性能。此外，當這些塵埃沉降在航天器太陽電池和光學敏感器等表面時，將直接影響到能源系統(tǒng)的效率和壽命，以及光學敏感器的光學特性和圖像質(zhì)量。例如，據(jù)“火星探路者”（Mars Pathfinder）探測器實時實地觀測結(jié)果的報道，火星塵作用下，該航天器的太陽電池能源系統(tǒng)的輸出功率出現(xiàn)了下降[10]。

1.4 起飛環(huán)境

探測器在地外天體起飛時，發(fā)動機氣浪會吹起天體表面的塵土顆粒，造成大范圍的影響，如造成探測器表面損傷等。此外發(fā)動機噴出的高溫高速羽流會對探測器產(chǎn)生力熱效應，擾動起飛姿態(tài)，影響起飛的精度。尤其是在月面環(huán)境下，真空羽流的迅速膨脹特性還可能在噴管內(nèi)部產(chǎn)生激波，影響噴管的工作性能，從而影響探測器的穩(wěn)定起飛[11]。

1.5 再入返回環(huán)境

與低軌道返回航天器相比，月球和深空探測飛行器再入地球大氣層時具有更大的飛行速度。飛行器以高超聲速進入地球大氣層，將承受較大的過載壓力和熱流壓力，這會給飛行器結(jié)構(gòu)和熱防護帶來嚴峻的考驗[12]。

1.6 大型柔性體在軌動力學

由于任務復雜，月球和深空探測航天器通常由多艙段構(gòu)成，結(jié)構(gòu)非線性特征明顯，系統(tǒng)建模難度大，低頻模態(tài)密集，內(nèi)部驅(qū)動控制力矩極易引起結(jié)構(gòu)振動，因此需要開展大型柔性體在軌動力學特性仿真分析與地面試驗驗證技術(shù)研究。

2 現(xiàn)有月球和深空探測的主要動力學環(huán)境試驗

2.1 振動環(huán)境試驗

根據(jù)月球和深空探測器力學環(huán)境分析和調(diào)研，探測器需要進行的振動試驗一般包括：

1）初樣階段：整器鑒定級正弦振動試驗；單機鑒定級隨機振動和正弦振動試驗。

2）正樣階段：整器驗收級正弦振動試驗；單機驗收級隨機振動和正弦振動試驗。

也有一些探測器會進行整器級的隨機振動試驗，以“勘測者”（Surveyor）探測器為例[13]，其整器振動試驗包含低頻的正弦振動試驗（5～100 Hz）和高頻的正弦隨機結(jié)合振動試驗（100～1500 Hz），驗收級振動試驗條件如圖2所示。

圖2 “勘測者”探測器驗收級正弦振動和隨機振動試驗條件Fig.2 Sinusoidal and random vibration acceptance test levels of Surveyor

2.2 噪聲環(huán)境試驗

除了振動試驗外，在初樣和正樣階段，探測器一般還需要進行噪聲試驗。噪聲試驗主要是模擬運載火箭起飛和動力段產(chǎn)生的力學環(huán)境，試驗在混響室內(nèi)進行，試驗條件主要由運載提供。以“嫦娥三號”結(jié)構(gòu)器為例，其噪聲試驗條件如表5所示。

表 5“嫦娥三號”探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)器噪聲試驗條件Table 5 Acoustic test levels of the structural model of Chang’e-3 lunar lander

2.3 分離沖擊試驗

分離沖擊通常采用真實火工品起爆，測量和分析分離面及探測器關(guān)鍵部位的沖擊響應數(shù)據(jù)，研究分離沖擊引起的結(jié)構(gòu)響應。試驗目的主要包括：

1）考核各設備在器箭分離、艙段分離引起的航天器結(jié)構(gòu)響應環(huán)境下的適應能力，確定探測器分離沖擊力學環(huán)境；

2）驗證分離機構(gòu)經(jīng)受力學環(huán)境并能正常工作的能力；

3）驗證分離過程設計的正確性及機電分離的協(xié)調(diào)性。

月球和深空探測飛行器因任務復雜度的增加，和其他航天器相比，除了星箭分離、艙段分離、太陽電池陣展開引起的分離沖擊外，通常還涉及其他探測機構(gòu)的解鎖展開，火工品數(shù)量通常更多一些。以Chang’e-3為例，分離沖擊試驗涉及到的機構(gòu)有著陸器的太陽電池陣、定向天線、緩沖機構(gòu)等，以及巡視器的連接機構(gòu)、轉(zhuǎn)移機構(gòu)、相機、太陽電池陣、機械臂、雷達等，火工品數(shù)量達數(shù)十個?；鸸て窋?shù)量的增多給抗沖擊設計和分離沖擊試驗驗證都提出了更高的需求。

2.4 著陸沖擊試驗

著陸沖擊是月球和深空探測飛行器所面臨的特有的飛行環(huán)境。著陸沖擊環(huán)境不同于火工沖擊環(huán)境——由于著陸緩沖裝置的緩沖作用，高頻響應衰減，中低頻段會存在較大的響應。典型的著陸沖擊響應和爆炸沖擊響應譜對比如圖3所示[14]。

圖3 典型的著陸沖擊響應和爆炸沖擊響應對比Fig.3 Comparison between typical landing impact responses and blast shock responses

由于這種不同，著陸沖擊試驗一般不在沖擊模擬設備上進行，而是在模擬的著陸面上進行。著陸沖擊試驗在不同的階段可以采用不同的方式，比如：設計初期可以進行縮比模型試驗，在研制階段應在模擬重力環(huán)境中進行1:1 樣機試驗[15]。圖4為一個低成本的火星科學實驗室（MSL）的著陸沖擊設備示意圖，試驗時考慮了重力卸載，通過車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對著陸時的力和加速度進行了測量[16]。

圖4 “火星科學實驗室”著陸沖擊試驗裝置Fig.4 Schematic diagram of the MSL landing test facility

2.5 行走試驗

月球和火星表面都覆蓋有土壤，行星車在星球表面行走時可能會因沉陷和側(cè)傾引起失效[17-19]。利用地面試驗或仿真手段，控制模擬月/火壤的力學性質(zhì)和行星車姿態(tài)，可以在地面對車輛的移動性能進行充分驗證，盡最大可能避免任務出現(xiàn)問題；一旦出現(xiàn)故障時可以迅速實現(xiàn)故障重現(xiàn)，通過對此時月球車移動性能的分析，幫助月球車走出困境。已成功發(fā)射月球車和火星車的蘇聯(lián)、美國和日本等國都通過地面試驗對行星車的動力學特性進行研究。

圖5為“嫦娥三號”巡視器的室內(nèi)試驗場。該試驗場也是國內(nèi)最大的巡視器室內(nèi)試驗場，可為星球車提供星表地貌環(huán)境模擬，進行低重力環(huán)境下的巡視器移動性能試驗、導航與控制性能試驗、巡視器任務支持試驗、自主駛離試驗等。

圖5 Chang’e-3月面巡視器行走試驗Fig.5 Chang’e-3 lunar rover locomotion test

2.6 月塵環(huán)境試驗

月塵環(huán)境試驗一般在真空容器中進行，模擬月塵用與真實月塵性質(zhì)相近的火山灰粉碎經(jīng)配比獲得，通過試驗可以對月塵的沉積污染效應、磨損效應、阻塞效應、靜電效應以及滲入效應等進行研究?！版隙鹑枴毖惨暺餮兄七^程中，為了模擬和評估月塵對巡視器車輪的影響，在月塵環(huán)境模擬器中采用摩擦磨損試驗機進行了車輪輪軸的磨損試驗研究[20]，圖6即為試驗所用的月塵環(huán)境模擬器和摩擦磨損試驗機。

圖6 車輪輪軸磨損試驗設備Fig.6 Lunar dust environment simulator

3 未來月球和深空探測面臨的動力學環(huán)境模擬的挑戰(zhàn)和建議

3.1 發(fā)射環(huán)境

月球和深空探測中，隨著任務復雜度的增加，航天器也越來越大型化，例如載人空間站和載人登月航天器的重量均達幾十噸級。航天器規(guī)模的增加，給發(fā)射環(huán)境的模擬帶來了更大的挑戰(zhàn)，采用常規(guī)試驗方法，整器振動試驗中的底部欠試驗、頂部過試驗問題將越來越嚴重。

為了更真實地模擬實際飛行力學環(huán)境，針對未來航天器面臨的復雜、高精度以及復合力學環(huán)境，需要開展高相似性地面模擬試驗新技術(shù)研究，提升現(xiàn)有的設備性能，建立先進的復雜力學環(huán)境地面模擬試驗手段，應對未來航天器研制地面試驗驗證的發(fā)展需求與挑戰(zhàn)。

3.2 移動星表探測器活動作業(yè)試驗

根據(jù)我國深空探測任務規(guī)劃，將持續(xù)深入開展月面勘查，建立月球科研站，擇機實施載人登月任務。月球科研站將充分利用機器人技術(shù)，通過各類機器人交互作業(yè)完成月面無人探測任務。為適應月面地形環(huán)境，機器人的移動方式也會考慮多種可能性，和現(xiàn)有巡視器相比，任務復雜度將大大增加，需要開展各類移動星表探測器的活動作業(yè)試驗。未來的載人登月任務將發(fā)射載人月球車，其巡視最大速度將超過現(xiàn)有無人月球車速度，工況也更加復雜多變，新的探測任務下，對地面驗證試驗也提出了新的要求，需要開展載人月球車行走試驗技術(shù)研究，滿足載人月球車快速機動下的地面試驗需求。

此外載人月面軟著陸和行走過程中發(fā)動機燃氣羽流噴射到月球表面上，與月壤、月塵相互作用對飛行器形成多種影響：1）對飛行器產(chǎn)生干擾力及力矩，影響著陸緩速下降和上升過程控制穩(wěn)定性；2）對飛行器表面多徑加熱，導致大幅升溫；3）激起的月塵可能會使導航敏感器的探測信號衰減，甚至導致其無法正常工作；4）飄揚的月塵沉積在設備功能表面，降低材料的透光率或熱發(fā)射率?？紤]到這些影響，需要開展發(fā)動機燃氣流與月壤相互作用的分析工作：需要解決月球環(huán)境發(fā)動機燃氣流與月壤兩相物質(zhì)的相互作用準確建模、分析的問題，對燃氣流的模擬包括連續(xù)介質(zhì)方法或分子動力學方法，對月壤流動過程的模擬包括假設流體方法或離散顆粒模擬方法等。

3.3 月塵/火星塵防護問題

月塵/火星塵無處不在，其黏附性和滲透性都很強，且難以清除。黏附在探測器設備表面的月塵/火星塵會帶來一系列問題隱患，影響探測器性能或危害航天員健康，例如：使光學鏡頭及熱控表面性能下降；太陽電池陣功率損失；機械結(jié)構(gòu)卡死；密封機構(gòu)失效；航天服及活動部件磨損；航天員及攝像裝置被污染和遮擋等[21]。

做好月塵/火星塵防護是保證探測任務成功的關(guān)鍵。因此，應當開展月塵/火星塵防護技術(shù)研究，研究月塵/火星塵分布規(guī)律，分析關(guān)鍵設備在月塵/火星塵作用下的退化模型，探索高效的月塵/火星塵清除方法。

3.4 人工重力

未來的載人月球及深空探測空間飛行中，飛行任務的時間是以年為單位，失重會對航天員產(chǎn)生嚴重的危害。通過人工重力的實施，不是單獨對某個系統(tǒng)進行防護，而是對所有生理系統(tǒng)進行刺激，可以為未來的載人航天和空間定居提供有力的支撐，應當開展的研究包括：長期載人飛行人工重力環(huán)境實現(xiàn)方法研究，空間人工重力實現(xiàn)的關(guān)鍵問題和參數(shù)研究，空間人工重力樣機研制與試驗驗證技術(shù)等。

3.5 小行星附著探測

小行星形態(tài)各異，形狀不規(guī)則，尺寸跨度大并且引力場很弱，自旋狀態(tài)也與大行星相差較大，這些獨特的物理特性使得小行星附近動力學環(huán)境異常復雜[22]，其表面著陸、取樣與大行星有著較大差異。小行星真實質(zhì)量、引力場、自旋狀態(tài)及地表參數(shù)在著陸之前是未知的，需要開展未知弱引力天體表面附著與固定技術(shù)研究，實現(xiàn)弱引力條件下的防沖擊、防反彈和防翻倒附著與固定。同樣，地表參數(shù)不確定情況下弱引力表面的取樣過程也更加復雜，需要開展弱引力天體表面取樣技術(shù)研究，搭建弱引力環(huán)境，開展取樣驗證等。

4 結(jié)束語

月球和深空探測面臨的動力學環(huán)境與常規(guī)近地軌道航天器的有較大區(qū)別。為提高探測器性能和可靠性，需要對這些動力學問題開展全面的分析和研究。本文對月球及深空探測動力學環(huán)境、現(xiàn)有月球和深空探測動力學環(huán)境試驗及未來月球和深空探測面臨的動力學環(huán)境模擬的挑戰(zhàn)進行了闡述，提出了未來深空探測動力學環(huán)境試驗相關(guān)的發(fā)展建議。