杜宇 馬繼楠 王位 朱謙 劉宇明 文聞 孫玉成

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)，武漢 430033)(3 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)(4 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029)(5 北京控制工程研究所，北京 100094)(6 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

航天員在月面工作，將面臨月面惡劣復(fù)雜環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致探測(cè)范圍受較大約束。航天員在月面工作時(shí)間非常寶貴，如何提高航天員的探測(cè)效率，在有效的時(shí)間內(nèi)盡量實(shí)現(xiàn)更大范圍的探測(cè)，同時(shí)降低航天員的風(fēng)險(xiǎn)是未來(lái)載人探月任務(wù)需要解決的問(wèn)題。采用無(wú)人探測(cè)器作為航天員探測(cè)的輔助手段，有望有效解決這一問(wèn)題。月球表面近似為真空環(huán)境，且重力加速度約為地球的1/6，采用拋射方式遠(yuǎn)距離輸送無(wú)人探側(cè)器是一種可能的技術(shù)途徑。通過(guò)這種方式，航天員可以快速對(duì)周邊探測(cè)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離探查，可以對(duì)航天員難以到達(dá)的惡劣環(huán)境(如永久陰影區(qū)等)進(jìn)行定點(diǎn)探查，也可以針對(duì)不同區(qū)域發(fā)射多個(gè)無(wú)人探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)大范圍整體多點(diǎn)探查，是擴(kuò)展航天員在月面工作能力和探查范圍的有效探測(cè)手段。

本文對(duì)基于月基拋射的載人探月任務(wù)進(jìn)行了初步分析，提出了基于電磁發(fā)射、高壓氣體發(fā)射和化學(xué)推力器助推的3種月基拋射裝置，進(jìn)行了對(duì)比分析；調(diào)研分析了球形探測(cè)器和彈丸形探測(cè)器兩種適合拋射的輕小型無(wú)人探測(cè)器，并對(duì)兩種探測(cè)器的高速著陸撞擊防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 任務(wù)場(chǎng)景描述

拋射裝置可由航天員攜帶，將無(wú)人探測(cè)器拋射到指定區(qū)域，在中繼星的支持下，與無(wú)人探測(cè)器進(jìn)行測(cè)控通信，并傳送探測(cè)數(shù)據(jù)，如圖1所示。無(wú)人探測(cè)器可攜帶小型蓄電池或燃料電池，支持任務(wù)期間的能源供給。此外，探測(cè)器可攜帶輕小型載荷，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，如對(duì)永久陰影區(qū)進(jìn)行探測(cè)，可攜帶水分子分析儀，對(duì)于穿透探測(cè)器，可攜帶研究月表成分的相關(guān)載荷等。

圖1 航天員利用月基拋射裝置拋射無(wú)人探測(cè)器示意圖

月基拋射無(wú)人探測(cè)器可適用于以下場(chǎng)景：

1)場(chǎng)景一(探測(cè)航天員難以到達(dá)的區(qū)域)

月球表面環(huán)境復(fù)雜惡劣，航天員受限于自身的行動(dòng)能力而無(wú)法到達(dá)，如環(huán)形山頂、撞擊坑底或巨大遮擋物后。采用月基拋射無(wú)人探測(cè)器的方式，可有效地讓探測(cè)器攜帶有效載荷在短時(shí)間內(nèi)，以極小的代價(jià)對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┚_探測(cè)，擴(kuò)大了航天員的探測(cè)區(qū)域，同時(shí)也提高了探測(cè)效率，降低了航天員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)場(chǎng)景二(向航天員運(yùn)送儀器設(shè)備或補(bǔ)給品)

航天員受限于自身行動(dòng)力和補(bǔ)給需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的探測(cè)，也無(wú)法攜帶更多的儀器設(shè)備。月基拋射裝置，可將由防護(hù)撞擊外殼包裹的小型儀器設(shè)備如蓄電池、月震儀、必要的工具等，精確拋射至航天員所在區(qū)域，同時(shí)也可為航天員進(jìn)行補(bǔ)給，保證航天員的活動(dòng)范圍和活動(dòng)時(shí)間。

3)場(chǎng)景三(構(gòu)建月面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)并提供著陸導(dǎo)引信息)

可以月球基地為中心，向周圍輻射狀拋射攜帶無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)的小型探測(cè)器，各節(jié)點(diǎn)相互通信，月球基地作為控制中樞，構(gòu)成月面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。可為正在執(zhí)行任務(wù)的航天員或巡視器提供實(shí)時(shí)通訊和位置坐標(biāo)等信息。同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)還可安裝信號(hào)發(fā)生器，作為著陸器著陸月面的信標(biāo)導(dǎo)引，如圖2所示。

圖2 月面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Schematic of wifi network on lunar surface

為實(shí)現(xiàn)以上任務(wù)場(chǎng)景的工作，拋射裝置和探測(cè)器應(yīng)具有輕小型可重復(fù)使用的能力，便于航天員攜帶和操作，以便輔助航天員完成探測(cè)任務(wù)。初步技術(shù)指標(biāo)為探測(cè)器質(zhì)量約10 kg量級(jí)，在月球環(huán)境下拋射距離不小于10 km，工質(zhì)可重復(fù)循環(huán)使用?；谝陨先蝿?wù)場(chǎng)景和初步指標(biāo)要求，下文將圍繞月基拋射裝置和輕小型無(wú)人探測(cè)器開(kāi)展需求分析。

2 月基拋射裝置分析

月面拋射裝置的根本需求是將無(wú)人探測(cè)器根據(jù)航天員設(shè)定的拋射仰角、方位角和所需的初始速度拋射出去，能夠適應(yīng)月面復(fù)雜的工作環(huán)境，包括適應(yīng)復(fù)雜地形能力，相對(duì)于月表當(dāng)?shù)靥鞏|北坐標(biāo)系的拋射仰角和方位角設(shè)定能力，拋射裝置自身能源供給和熱控防護(hù)能力，對(duì)無(wú)人探測(cè)器的長(zhǎng)期存儲(chǔ)維護(hù)能力，探測(cè)數(shù)據(jù)接收和對(duì)無(wú)人探測(cè)器控制能力，可承受拋射過(guò)程所造成力學(xué)環(huán)境和月塵激揚(yáng)影響等。此外，還要求月基拋射裝置可以在月面低成本快速重復(fù)使用，可以攜帶多個(gè)探測(cè)器。

月基拋射首先需要被運(yùn)送到月面上去，且在月面質(zhì)量和體積規(guī)模盡可能小，航天員對(duì)月基拋射裝置可實(shí)現(xiàn)便捷的月面移動(dòng)運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心的熱點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展探測(cè)，這就需要月基拋射裝置體積小、質(zhì)量輕、可模塊化組裝、具備月面移動(dòng)運(yùn)輸功能等，可實(shí)現(xiàn)航天員單人移動(dòng)運(yùn)輸和拋射操作。經(jīng)初步分析，月基拋射裝置可采用電磁發(fā)射、高壓氣體發(fā)射和化學(xué)推力器助推拋射等技術(shù)途徑。

2.1 電磁發(fā)射裝置

電磁發(fā)射技術(shù)是一種將物體加速至指定速度的新型發(fā)射技術(shù)，它采用電磁推力作為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)對(duì)電壓、電流和發(fā)射位置的精確控制，將電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)發(fā)射速度和推力的精確控制，可以滿足飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、航天器等各種物體的發(fā)射要求[1]。電磁發(fā)射技術(shù)近年來(lái)的研究主要集中于航母飛機(jī)電磁彈射、艦載無(wú)人機(jī)、魚(yú)雷發(fā)射、艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射，電磁軌道炮等方面。同時(shí)，在天基戰(zhàn)略防御攔截、航天發(fā)射、空間軌道轉(zhuǎn)移、民用軌道交通運(yùn)輸?shù)确矫嬉策M(jìn)行了大量的研究[2]。國(guó)內(nèi)海軍工程大學(xué)的馬偉明院士團(tuán)隊(duì)在艦載電磁彈射裝置、電磁軌道炮等領(lǐng)域取得了大量成果[3]。

適用于月基拋射任務(wù)的電磁拋射系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能裝置、電能變換裝置、拋射裝置、頂層控制裝置等4部分組成，電磁拋射系統(tǒng)基本框圖如圖3所示。

圖3 電磁拋射系統(tǒng)組成原理框圖Fig.3 Schematic of electromagnetic projectile system

(1)儲(chǔ)能裝置位于電磁拋射系統(tǒng)能量鏈的最前端，是整個(gè)拋射系統(tǒng)的能量來(lái)源。其主要功能是儲(chǔ)存拋射所需能量，具備瞬時(shí)大功率放電的能力，在拋射過(guò)程中，儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量瞬間輸出至拋射負(fù)載，在拋射前，電源的電能長(zhǎng)時(shí)間、小功率儲(chǔ)存至儲(chǔ)能裝置。根據(jù)系統(tǒng)的電壓、電流和功率需求，可以考慮采用超級(jí)電容儲(chǔ)能方案或者電源直接供電方案。

(2)電能變換裝置的主要功能是將儲(chǔ)能裝置輸出的電能變換為頻率和幅值協(xié)調(diào)變化的交流電供給拋射裝置，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行。電能變換裝置主要包括逆變器等電力電子裝置組成。根據(jù)電磁拋射系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)確定技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算出器件的邊界條件。在保證裝置功能性、可靠性的前提下，借鑒國(guó)內(nèi)外已有的脈沖電力電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合電磁拋射這個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，對(duì)電能變換裝置的功率單元在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和模塊化設(shè)計(jì)；同時(shí)根據(jù)電磁拋射系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)化能量使用及分配的控制策略。

(3)拋射裝置是電磁拋射系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將電能變換裝置輸出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K探測(cè)器的動(dòng)能。根據(jù)探測(cè)器電磁拋射系統(tǒng)的功能需求，拋射裝置采用感應(yīng)式電機(jī)方案，保證裝置可靠性，并減小裝置的體積、質(zhì)量和損耗，合理設(shè)計(jì)定子和動(dòng)子的結(jié)構(gòu)。

(4)頂層控制裝置主要有兩類功能：一是協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)拋射過(guò)程中的控制及維護(hù)測(cè)試功能；二是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷功能。因此從功能上，該頂層控制裝置網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立劃分為控制網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

電磁發(fā)射裝置工作過(guò)程如下：拋射前，儲(chǔ)能裝置從電源上以小功率獲取并儲(chǔ)存能量，為拋射過(guò)程所需的脈沖能量做準(zhǔn)備。拋射時(shí)，儲(chǔ)能裝置瞬間釋放大功率電能至電能變換器，通過(guò)電能變換裝置將儲(chǔ)能裝置輸出的能量變換成合適的電壓、電流輸送至拋射裝置轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)拋射裝置加速至所需的速度。電磁拋射裝置通過(guò)輸入預(yù)設(shè)的拋射要求，實(shí)時(shí)檢測(cè)拋射裝置運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)控制算法實(shí)時(shí)控制電能變換裝置輸出的電壓、電流，從而實(shí)現(xiàn)彈射器拋射的精確控制。

2.2 高壓氣體發(fā)射裝置

隨著氣動(dòng)發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種利用高壓氣體進(jìn)行發(fā)射的氣動(dòng)槍械或發(fā)射裝置。這些裝置基本上都是利用高壓空氣、二氧化碳或氮?dú)獾葰怏w在彈膛內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)彈丸或相關(guān)物體沿噴管實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射。1946年，美國(guó)人研制出第一門(mén)利用輕質(zhì)氣體(氫氣、氦氣或氮?dú)?作為發(fā)射氣體的輕氣炮，彈丸在承受較低的加速度和較小應(yīng)力的情況下，獲得高彈速，已成為非常有效和實(shí)用的高速試驗(yàn)設(shè)備[4]。氮?dú)鈴椛溲b置是以高壓氮?dú)庾鳛閺椛鋭?dòng)力的機(jī)載導(dǎo)彈彈射裝置，一般情況下，它由氮?dú)馐?、開(kāi)關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、掛鉤解鎖機(jī)構(gòu)和前、后活塞作動(dòng)筒等組成。利用高壓氮?dú)馔苿?dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，釋放導(dǎo)彈吊掛，再由活塞將導(dǎo)彈推離載機(jī)。近年來(lái)，美國(guó)的國(guó)際救生設(shè)備公司(Rescue Solutions International，Inc)也采用高壓氣體拋射研發(fā)了ResQmax遠(yuǎn)程救生拋繩器[5]；它采用高壓氣體為動(dòng)力發(fā)射錨彈，拋射引繩，具有拋射距離遠(yuǎn)、安全性高、性能良好的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)方面，哈爾濱工程大學(xué)等單位，對(duì)氣動(dòng)發(fā)射裝置也開(kāi)展了多年技術(shù)研究，取得了一定的成果。

針對(duì)本任務(wù)的高壓氣體發(fā)射裝置由工質(zhì)儲(chǔ)箱、活塞、發(fā)射管組成，如圖4所示。該裝置工質(zhì)的選取應(yīng)盡量滿足以下條件：①不需要額外加熱，即可實(shí)現(xiàn)工質(zhì)氣液轉(zhuǎn)換；②工質(zhì)易于在月面獲??；③安全可靠?；谝陨显瓌t，可初步選取氧氣、甲烷或二氧化碳作為高壓氣體發(fā)射裝置的工質(zhì)。儲(chǔ)箱需存儲(chǔ)高壓氣體，初步選取具有較高強(qiáng)度和良好塑性韌性的低合金鋼。

高壓氣體發(fā)射裝置工作過(guò)程如下：儲(chǔ)箱內(nèi)裝有液態(tài)氣體，液態(tài)氣體可由加料閥門(mén)加注到儲(chǔ)箱內(nèi)。儲(chǔ)箱與發(fā)射管利用電磁閥門(mén)連接。在電磁閥門(mén)上，有運(yùn)動(dòng)活塞，活塞上放置探測(cè)器。發(fā)射管上邊緣有聚四氟乙烯橡膠限位拴用來(lái)阻斷活塞。當(dāng)處于月晝時(shí)，儲(chǔ)箱內(nèi)液態(tài)氣體氣化，待液體全部氣化后，儲(chǔ)箱內(nèi)形成高壓氣體。打開(kāi)電磁閥門(mén)，高壓氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到發(fā)射管頂部，活塞被限位拴擋住停止運(yùn)動(dòng)，放置在活塞的探測(cè)器脫離活塞，拋射出去。利用帆布遮住高壓氣體發(fā)射裝置，營(yíng)造低溫環(huán)境，或者進(jìn)入月夜，自然產(chǎn)生低溫環(huán)境。高壓氣體降溫，并液化，重新流入儲(chǔ)箱內(nèi)。關(guān)閉電磁閥門(mén)，活塞由于受重力作用，再次滑落到發(fā)射管底端。

圖4 高壓氣體發(fā)射器示意圖Fig.4 Schematic of high pressure gas emitters

2.3 化學(xué)推力器助推拋射裝置

使用化學(xué)推力器對(duì)探測(cè)器進(jìn)行一段行程的助推，也可實(shí)現(xiàn)月基拋射任務(wù)?；瘜W(xué)推力方式主要分為固體發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)和液體發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)；液體發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需要使用貯箱管路閥門(mén)等組件，系統(tǒng)較為復(fù)雜，適用于重載荷大推力的使用場(chǎng)景；而固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本低，更適合在月面上拋射小型探測(cè)器。小質(zhì)量級(jí)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)方式已在20世紀(jì)90年代服役的第4代 “先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈”(AIM-120)上得到了應(yīng)用[6]。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司下屬的中國(guó)空間技術(shù)研究院等多家單位也開(kāi)展了空間探測(cè)器的推力器研制工作，類型覆蓋了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、液體發(fā)動(dòng)機(jī)等，技術(shù)較為成熟。

適用于月球表面的推力助推拋射系統(tǒng)應(yīng)該具備拋射角度調(diào)節(jié)功能、探測(cè)器推力助推功能、推力助推器/探測(cè)器回收功能、推力助推器重復(fù)使用功能、發(fā)射支架便攜收納功能等功能，因此系統(tǒng)由可折式發(fā)射支架、推力助推器、回收裝置等幾部分組成，如圖5所示。推力助推器是月基拋射推力助推裝置核心部分，與月基探測(cè)器有安裝接口，接受拋射信號(hào)后點(diǎn)火工作，為探測(cè)器提供一定時(shí)間的持續(xù)推力，將探測(cè)器加速到一定速度后，在月球表面將一定質(zhì)量的探測(cè)器拋射出去，并在空中實(shí)現(xiàn)與探測(cè)器的分離，保證探測(cè)器拋至所需距離。工作后能夠被回收裝置收回并能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單重新裝藥和配件更換后重復(fù)使用。發(fā)射支架是整個(gè)推力助推月基拋射裝置的安裝底座，為推力助推器發(fā)射提供支撐及發(fā)射通道，能夠調(diào)節(jié)助推器發(fā)射角度，為回收裝置和控制電源提供安裝接口，不使用時(shí)能夠折疊收納便于航天員攜帶，使用時(shí)能夠展開(kāi)并形成固定支撐，能夠固定在月面上。回收裝置固定在發(fā)射支架上，通過(guò)系繩連接推力器，推力器接受拋射信號(hào)并發(fā)射后，回收裝置釋放系繩，不對(duì)推力器-探測(cè)器發(fā)射過(guò)程造成影響；推力器工作完成后能夠拖拽推力器降低推力器飛行速度并落下，之后能夠自動(dòng)牽卷系繩實(shí)現(xiàn)推力器/探測(cè)器回收。

化學(xué)推力器助推發(fā)射裝置工作過(guò)程如下：航天員觸發(fā)拋射裝置，推力器點(diǎn)火器接受點(diǎn)火信號(hào)點(diǎn)火，點(diǎn)燃藥柱產(chǎn)生推力使推力器向前運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)探測(cè)器拋出，點(diǎn)火器和電源通過(guò)分離插頭連接，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)推力器推力將分離插頭拽開(kāi)從而完成電源分離，推力器持續(xù)工作推動(dòng)探測(cè)器獲得飛行速度，推力器產(chǎn)生持續(xù)推力推動(dòng)探測(cè)器飛行一段時(shí)間后自由拋墜至待探測(cè)目的地區(qū)域。

圖5 推力助推拋射裝置示意圖Fig.5 Schematic of thrust boost launchers

2.4 3種拋射方式對(duì)比

通過(guò)分析比較，電磁發(fā)射方式、高壓氣體發(fā)射方式和化學(xué)推力器助推拋射方式作為月基拋射裝置的技術(shù)途徑各有優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 不同拋射技術(shù)途徑分析比較

電磁發(fā)射方式適用于能源充足的月球基地，航天員可通過(guò)模式化的操作，控制電磁拋射裝置，拋射距離更遠(yuǎn)，精度更高，在能源的支持下，理論上可無(wú)限次的重復(fù)使用，但拋射裝置質(zhì)量比較大，航天員較難實(shí)現(xiàn)攜帶操作。相比于電磁發(fā)射裝置，高壓氣體發(fā)射裝置和推力器助推拋射裝置將更為輕便，更適于航天員攜帶，但由于需額外攜帶工質(zhì)，因此發(fā)射次數(shù)有限，比較適于航天員離開(kāi)基地，在周邊開(kāi)展探測(cè)任務(wù)的時(shí)候使用。3種方式特點(diǎn)明晰，適用于不同任務(wù)形式，航天員可根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行選取。

3 拋射無(wú)人探測(cè)器分析

月面拋射無(wú)人探測(cè)器的基本需求是根據(jù)航天員探測(cè)需求配置不同的有效載荷，能夠適應(yīng)拋射過(guò)程和著陸沖擊過(guò)程的高過(guò)載和撞擊力學(xué)特性，具備不同距離范圍內(nèi)的有效探測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸/存儲(chǔ)和月面環(huán)境生存的能力，可以在月面重復(fù)使用。具體需求包括以下幾個(gè)方面。

1)探測(cè)目標(biāo)及對(duì)應(yīng)的有效載荷和探測(cè)方式

探測(cè)目標(biāo)是決定無(wú)人探測(cè)器有效載荷、工作過(guò)程、功能和性能的主要設(shè)計(jì)依據(jù)，不同的探測(cè)對(duì)象和區(qū)域，對(duì)無(wú)人探測(cè)器設(shè)計(jì)影響較大。結(jié)合我國(guó)探月工程所取得的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)月球探測(cè)后續(xù)任務(wù)的規(guī)劃情況，初步梳理月基拋射無(wú)人探測(cè)器的探測(cè)需求包括環(huán)境探測(cè)和資源勘查兩個(gè)方向：①可通過(guò)圖像或視頻以及溫度等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境探測(cè)，或利用目標(biāo)區(qū)域有利位置開(kāi)展月基天文、對(duì)地、對(duì)月監(jiān)測(cè)等；②開(kāi)展以極區(qū)礦產(chǎn)資源、水資源與月壤中稀有氣體資源為代表的月球資源詳查。因此，拋射無(wú)人探測(cè)器根據(jù)不同的需求，需要具備撞擊月面后停留在月表探測(cè)和進(jìn)入月壤穿透探測(cè)兩種能力，且均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)功能。

2)承受拋射過(guò)程和高速著陸撞擊的力學(xué)環(huán)境

拋射無(wú)人探測(cè)器需輔助航天員實(shí)現(xiàn)較大范圍的探測(cè)任務(wù)，因此拋射裝置會(huì)提供給無(wú)人探測(cè)器較大的初速度，這要求無(wú)人探測(cè)器要經(jīng)受住在拋射過(guò)程和最后的月面高速著陸撞擊的力學(xué)環(huán)境而不損壞，對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電子設(shè)備提出了抗高過(guò)載、防沖擊和可重復(fù)使用的需求。

3)適應(yīng)被探測(cè)區(qū)域的特殊環(huán)境

月基拋射無(wú)人探測(cè)器需要具備一定的月面生存能力，可以適應(yīng)目標(biāo)區(qū)域的特殊環(huán)境，包括光照條件、地形地貌、溫度環(huán)境、測(cè)控通信遮擋情況等，對(duì)月塵、空間環(huán)境等影響因素進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)并采取應(yīng)對(duì)措施。

適用于月基拋射的輕小型無(wú)人探測(cè)器從外型上可分為球形探測(cè)器和彈丸形探測(cè)器兩大類。球形探測(cè)器更有利于撞擊防護(hù)緩沖，可對(duì)月表進(jìn)行圖像勘察等任務(wù)；彈丸形探測(cè)器可鉆入月壤，獲取月球次表層的月壤特性數(shù)據(jù)。

3.1 球形探測(cè)器

表面滾動(dòng)球形探測(cè)器的研究已經(jīng)開(kāi)展了十幾年，從芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)的Halme教授[7]1996年研制的第1個(gè)具有圓球外殼的球形探測(cè)器起，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者相繼提出了許多不同的球形探測(cè)器結(jié)構(gòu)[8]。麻省理工大學(xué)的Christopher Batten和David Wentzlaff 以澳大利亞的倉(cāng)鼠球?yàn)樵脱兄屏薑ickBot自主運(yùn)動(dòng)球形探測(cè)器[9]。探測(cè)器有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)軸分別與左右兩部分外殼直接連接，通過(guò)外殼的差速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向。探測(cè)器兩側(cè)分別裝有紅外線測(cè)距傳感器，中間裝有攝像頭，幫助探測(cè)器感知身邊的環(huán)境信息，KickBot可以通過(guò)自身的傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主式尋人、避障等運(yùn)動(dòng)。美國(guó)國(guó)防局研制了雙半球式球形探測(cè)器(Subot)[10]，這款球形探測(cè)器的特點(diǎn)是其內(nèi)部安裝了可伸縮的足式機(jī)構(gòu)，可以幫助探測(cè)器越過(guò)一定高度的障礙；當(dāng)探測(cè)器需要靜止在某一位置時(shí)，足式機(jī)構(gòu)可以伸到球殼外起到支撐作用，保持探測(cè)器姿態(tài)穩(wěn)定。2003年，NASA創(chuàng)造性的提出了一種名為WindsPheres的球形探測(cè)器[11]。該探測(cè)器是為火星探測(cè)設(shè)計(jì)的一款探測(cè)器，其設(shè)計(jì)思想來(lái)源于蒲公英，設(shè)計(jì)概念如圖6所示。由于火星上具有相當(dāng)強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)，該探測(cè)器依靠風(fēng)力驅(qū)動(dòng)行走。這種以自然資源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式是球形探測(cè)器能源問(wèn)題的一次革新。

圖6 NASA設(shè)計(jì)的WindSpheres球形探測(cè)器Fig.6 WindSpheres designed by NASA

球形探測(cè)器的研究在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)較新的概念，但也有一些單位和學(xué)者開(kāi)始了這方面的探索。北京郵電大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校都在球形探測(cè)器研究方面取得了一定的研究成果。

球形探測(cè)器在月球表面探測(cè)時(shí)，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制使其在月球表面一定范圍內(nèi)移動(dòng)。探測(cè)器基本構(gòu)型為球形，由上球冠、赤道環(huán)、下球冠3部分組成，如圖7所示。上球冠主要標(biāo)貼太陽(yáng)能電池片，赤道環(huán)主要布置相應(yīng)的科學(xué)測(cè)量設(shè)備，下球冠內(nèi)主要安裝電源、電子設(shè)備等。探測(cè)器具備能源供給、熱控、通信、數(shù)管等功能。

圖7 球形監(jiān)視探測(cè)器示意圖Fig.7 Schematic of spherical surveillance probes

3.2 彈丸形探測(cè)器

彈丸形探測(cè)器主要用于地外天體表面撞擊任務(wù)。俄羅斯的MARS 96任務(wù)和美國(guó)的深空2號(hào)任務(wù)均搭載了彈丸形穿透器，但兩次任務(wù)均在穿透器任務(wù)實(shí)施前就宣告失敗。英國(guó)研制了“月光”(Moonlite)月球撞擊穿透器[12]，如圖8所示。Moonlite任務(wù)計(jì)劃攜帶4個(gè)撞擊穿透器，每個(gè)質(zhì)量約13 kg；撞擊速度約為350 m/s，攻角小于8°；穿透深度2～5 m，適合靈敏的地震儀工作，并且熱穩(wěn)定環(huán)境適合熱流測(cè)量；采用UHF通信，工作時(shí)間為一年。此外ESA還論證了木衛(wèi)二撞擊穿透器，計(jì)劃搭載在美國(guó)2022年發(fā)射的木衛(wèi)二探測(cè)器上。

圖8 “月光”月球撞擊穿透器地面試驗(yàn)產(chǎn)品Fig.8 Ground test products of Moonlite

彈丸形探測(cè)器需要利用一定速度，擠壓行星土壤進(jìn)行侵徹，外形采用細(xì)長(zhǎng)柱體、探測(cè)器采用尖端頭部，類似導(dǎo)彈、炮彈等武器外形。彈丸形探測(cè)器包括外層結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備艙兩部分組成。為了降低穿透沖擊對(duì)設(shè)備的影響，外層結(jié)構(gòu)可選擇鈦合金或鋼以保證強(qiáng)度，減少穿透沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，保證穿透后整器結(jié)構(gòu)的完整性。內(nèi)部設(shè)備艙采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)支撐，并采用緩沖材料進(jìn)行填充，保證在穿透過(guò)程中盡可能降低對(duì)著陸后工作設(shè)備的過(guò)載和沖擊影響，實(shí)現(xiàn)撞擊穿透后正常工作。為了以最小代價(jià)保證艙內(nèi)溫度，可以將儀器設(shè)備艙設(shè)計(jì)為真空艙體，減少熱輻射和熱傳導(dǎo)。整個(gè)彈丸形探測(cè)器初步外形設(shè)計(jì)如圖9所示，系統(tǒng)內(nèi)部組成如圖10所示。

圖9 彈丸形探測(cè)器示意圖Fig.9 Schematic of a projectile probe

圖10 彈丸形探測(cè)器系統(tǒng)組成圖Fig.10 System composition diagram of a projectile probe

4 高速著陸撞擊防護(hù)分析

目前，國(guó)內(nèi)外在高速碰撞防護(hù)領(lǐng)域的研究大多集中在“被動(dòng)式”能量吸收裝置，其特點(diǎn)是防護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦確定，碰撞能量吸收能力和工作載荷就確定，當(dāng)碰撞條件發(fā)生改變，其防護(hù)結(jié)構(gòu)的能量吸收效果就會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，基于月壤復(fù)雜多變的著陸特性，月面無(wú)人探測(cè)器高速著陸碰撞時(shí)，期望能夠通過(guò)碰撞防護(hù)技術(shù)的研究，使得其在碰撞能量吸收時(shí)對(duì)著陸碰撞條件具有一定的適應(yīng)性，并根據(jù)碰撞沖擊能量的大小調(diào)整能量吸收能力，保證以最優(yōu)方式吸收沖擊能量，達(dá)到保護(hù)月面無(wú)人探測(cè)器的目的。因此在確定無(wú)人探測(cè)器月面高速著陸碰撞防護(hù)總體方案前，首先要確定無(wú)人探測(cè)器的碰撞防護(hù)外形、能量吸收結(jié)構(gòu)參數(shù)及著陸點(diǎn)的目標(biāo)特性。針對(duì)本文提出的兩種探測(cè)器，初步提出相應(yīng)的撞擊防護(hù)方案。

1)球形探測(cè)器撞擊防護(hù)方案

球形探測(cè)器的碰撞防護(hù)系統(tǒng)主要由圓環(huán)碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)、多層阻尼防護(hù)體、透明探測(cè)孔防護(hù)蓋等組成，如圖11所示。圓環(huán)碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)主要起到碰撞塑變形成塑性鉸，進(jìn)而耗散大量碰撞能量的作用。多層阻尼防護(hù)體主要作用是輔助圓環(huán)碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余碰撞能量的吸收和耗散。透明探測(cè)孔防護(hù)蓋的主要作用對(duì)探測(cè)器探頭在飛行或著陸碰撞過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)。

圖11 球形探測(cè)器撞擊防護(hù)方案示意圖Fig.11 Schematic of spherical probe collision protection scheme

球形探測(cè)器的圓環(huán)碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)采用漸進(jìn)疊縮變形模式，將薄壁管件進(jìn)行逐層分區(qū)熱處理，使各層的強(qiáng)度和硬度不同，從外到里進(jìn)行軟硬層區(qū)分布。在受到軸向撞擊時(shí)，最外層軟區(qū)最先吸收能量而發(fā)生變形，然后是相鄰的次軟層吸能變形，因此易形成漸進(jìn)疊縮變形模式。

球形探測(cè)器的圓環(huán)碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)材料初步擬采用有良好成形性能和塑性變形能力的高強(qiáng)度合金鋼(HC260LA)，其屈服強(qiáng)度為260～330 MPa，拉伸強(qiáng)度為350～430 MPa，斷裂延伸率不小于26%。

相比傳統(tǒng)薄壁吸能管件，變強(qiáng)度薄壁管件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、吸能效果好等特點(diǎn)。

2)彈丸形探測(cè)器撞擊防護(hù)方案

彈丸形探測(cè)器高速著陸碰撞防護(hù)系統(tǒng)采用著陸碰撞侵徹防護(hù)外形，防護(hù)結(jié)構(gòu)與探測(cè)器一體化設(shè)計(jì)，探測(cè)器裝填在防護(hù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，如圖12所示。此方案主要由帶預(yù)制削弱槽的預(yù)制防護(hù)卵形頭、二級(jí)防護(hù)卵形頭、過(guò)載防護(hù)結(jié)構(gòu)體等組成。帶預(yù)制削弱槽的預(yù)制防護(hù)卵形頭主要作用是在探測(cè)器碰撞著陸時(shí)，通過(guò)預(yù)制防護(hù)卵形頭的破裂分離，從而吸收大量的碰撞沖擊能量。二級(jí)防護(hù)卵形頭起到對(duì)探測(cè)器侵徹鉆地防護(hù)的作用，其尾端花瓣槽式設(shè)計(jì)在增大著陸碰撞侵徹阻力的同時(shí)，可具有導(dǎo)向性的控制侵徹軌跡的作用，從而為侵徹鉆地深度控制及月壤軟土層著陸跳彈軌道控制，提供有力的技術(shù)支持。

圖12 彈丸形探測(cè)器撞擊防護(hù)方案示意圖Fig.12 Schematic of projectile probe collision protection scheme

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于月基拋射的新型載人探月任務(wù)概念構(gòu)想。調(diào)研分析了基于電磁、高壓氣體和化學(xué)助推3種方式的拋射裝置，以及球形探測(cè)器和彈丸形探測(cè)器兩種輕小型無(wú)人探測(cè)器，并分析了兩種探測(cè)器的初步著陸撞擊防護(hù)方案。月基拋射無(wú)人探測(cè)器的概念可應(yīng)用于未來(lái)的載人登月任務(wù)，輔助航天員開(kāi)展月面探測(cè)，可大幅提升航天員的探測(cè)范圍與效率，并降低風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)任務(wù)還處在概念研究階段，月面的特殊環(huán)境畢竟給拋射方案帶來(lái)一定的不確定性影響，很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)成熟度還較低，后續(xù)還需開(kāi)展更深入的研究。