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“嫦娥”該如何優雅地返回地球

2019-02-25 09:21來源﹕中國青年報

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  從2019年1月3日著陸月球到1月11日和“玉兔二號”實現兩器互拍﹐我國“嫦娥四號”探測器圓滿完成此次登月任務。作為世界首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器﹐“嫦娥四號”此次著陸堪稱是“盲降”。

  對於人類完全陌生的月球背面﹐風大不大﹖地平不平﹖土壤鬆軟不鬆軟﹖未來的“嫦娥五號”以什麼樣的姿勢返回人間更安全﹑優雅﹖這些都是科研人員需要對“嫦娥”悉心關照的細節。

  天津大學教授崔玉紅和王建山的空間力學團隊在羽流與月壤相互作用﹑模擬月貌區﹑穩定性試驗面﹐以及“嫦娥”著陸器姿態及穩定性分析和著陸面力學環境地面試驗等方面做了大量工作﹐陸續協助“嫦娥三號”及“嫦娥四號”順利登月。大量成果也將應用在預計2019年年底發射的“嫦娥五號”以及2020年前後實施的火星探測計劃中。

  月球真空環境下﹐高速高溫的發動機噴流向外部真空環境膨脹﹑擴散﹐形成羽毛狀流場﹐稱為“羽流”。羽流能引起月塵大面積擴散和離子污染﹐嚴重時會影響著陸器的安全著陸。“嫦娥”在月球環境著陸中﹐羽流和月塵之間的作用如何真實再現﹖

  天津大學空間力學團隊提出了一種考慮月壤顆粒被羽流破壞揚起以及真空環境下月壤顆粒之間碰撞﹑擴散及雙向能量耦合的新計算方法﹐揭示了羽流和月塵之間相互作用的力學規律。這種方法不僅適用於連續區域﹐也適用於非連續區域的月壤顆粒計算﹐較為準確地模擬了羽流與月壤顆粒相互作用的過程。

  由於問題的複雜性及計算條件﹑方法的限制﹐相關的計算問題﹐上個世紀60年代美國阿波羅登月時被提出來﹐一直沒有被明確地解決。直到上個世紀80年代開始有學者陸續提出了一些計算方法﹐但都存在一定的局限性。天津大學空間力學團隊首次採用該流固耦合的方法分析真空環境中月壤顆粒的運動﹐所得數值計算結果與美國阿波羅11號實測數據基本吻合。

  但是﹐月球上的土壤是什麼樣的﹖這在很大程度上決定了“嫦娥”採用何種方式在月球安全著陸。在登月前﹐用什麼材料才能模擬出最“真實”的月壤﹖

  空間力學團隊通過數值分析選定了可以模擬月球土壤的試驗材料。團隊通過大量實驗﹐確定可用於模擬月壤材料的試驗備選材料﹐採用大變形幾何關係﹐考慮彈性和塑性變形﹐及有摩擦接觸等因素﹐通過數值計算﹐模擬在著陸腿底部衝擊力作用下各種備選材料在著陸過程中的受力和變形。分析各種備選材料的受力和變形特徵﹐根據試驗技術要求﹐優化選定可以模擬月壤的適用材料。

  最後﹐團隊研製了懸停避障緩速下降試驗用月面﹐根據月面對微波和激光以及光學敏感器的反射特性要求﹐模擬月面多種地形﹐包括石塊﹑凹坑﹑坡度等﹐研製並完成模擬月貌區的試驗研究和數值仿真。

  與此同時﹐空間力學團隊也對“嫦娥”著陸面力學環境地面進行多次著陸衝擊試驗﹐驗證了單機加速度力學條件的正確性﹔試驗後太陽翼﹑定向天線﹑轉移機構等展開性能正常﹔OSR(戶外﹑生存﹑求救)﹑電池片檢驗沒有破損﹔推進系統﹑熱管等漏率指標滿足要求完成了著陸衝擊試驗中著陸床地面研製等。

  針對落地時“嫦娥”的著陸腿底部選用什麼材料才更穩定的問題﹐團隊基於地面仿真試驗的要求﹐模擬六分之一地球重力的邊界條件﹐通過科學的力學分析為“嫦娥”選定一雙最舒適的“鞋”提供重要參考。

  根據中國探月工程“繞”“落”“回”的計劃﹐或將於2019年發射的“嫦娥五號”將完成月面取樣返回任務。“嫦娥”以什麼姿態返回地球最為安全和優雅﹖

  空間力學團隊在“著陸器姿態及穩定性分析”中﹐完成了登月著陸器返回地球大氣層後的姿態及穩定性分析﹐驗證了各導航敏感器的靜態和動態性能。對登月著陸器發動機噴管返回地球大氣層後的各種姿態進行了二維和三維建模和數值仿真﹐並且模擬計算了登月著陸器發動機在不同高度工況下的推力﹑比沖等特性參數﹐與熱空間力計算結果進行了比較﹐為登月著陸器返回地球大氣層後的姿態及穩定性提供參考數據。這一研究將用於“嫦娥五號”和未來“嫦娥六號”的研製。

  不久前﹐我國公佈首次火星探測任務將於2020年前後實施。天津大學空間力學團隊目前正承擔著模擬火星土壤等的部分工作﹐為2020年火星探測任務助力。(記者胡春艷)

  

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