月球著陸環(huán)境模擬試驗裝置的研制

徐 冰，馬 龍，鄭興林

（北京空間機電研究所，北京100076）

0 引言

月球著陸器的著陸多采用機械式軟著陸緩沖機構(gòu)方式，確保其著陸穩(wěn)定性是任務(wù)首要目標[1]。在接近月面的著陸最終階段，需要關(guān)閉軌控發(fā)動機和姿控推力器，而在關(guān)機之前，須通過伽馬關(guān)機敏感器精確測定離月面的高度，并根據(jù)該高度值向著陸器發(fā)出關(guān)機指令。因此，伽馬關(guān)機敏感器的性能直接影響著陸器的著陸穩(wěn)定性，對著陸任務(wù)成敗起關(guān)鍵作用。為了提高伽馬關(guān)機敏感器的性能和工作可靠性，需要在地面開展空間環(huán)境模擬試驗，包括標定試驗和性能測試試驗。

針對伽馬關(guān)機敏感器的試驗需要，文章著重介紹月球著陸環(huán)境模擬試驗裝置的研制情況。

1 伽馬關(guān)機敏感器的環(huán)境影響因素分析

在特定的模擬環(huán)境中，需要對月球著陸器在距地表4.5 m 高度下進行著陸運動模擬，同時對相關(guān)設(shè)備以及伽馬關(guān)機敏感器進行測試。

月球表面環(huán)境和地球表面環(huán)境差異較大，伽馬粒子會與大氣中的各種分子撞擊發(fā)生反散射，從而使接收器接收到的伽馬粒子數(shù)發(fā)生變化（見圖1）。因此，伽馬關(guān)機敏感器在兩種環(huán)境條件下發(fā)出的高度指令存在差異。俄羅斯的研究結(jié)果表明，大氣對接收器計數(shù)率的影響最高可達30%左右，從而導(dǎo)致 很大的結(jié)果偏差。在地球大氣環(huán)境下進行的伽馬關(guān)機敏感器的各種高度標定以及性能測試結(jié)果不能直接應(yīng)用到月球環(huán)境中。根據(jù)大氣對伽馬粒子傳播的影響以及伽馬關(guān)機敏感器的工作原理，當大氣壓力≤10 Pa 時，其影響可忽略。

圖1 大氣對伽馬關(guān)機敏感器影響Fig.1 Effect of atmosphere on the gamma sensor

同樣，月壤和地球土壤的密度與含水量等不同，它們對伽馬粒子的散射性能也不一樣，對伽馬關(guān)機敏感器的計數(shù)率也會產(chǎn)生很大影響，最終導(dǎo)致在地球表面標定的關(guān)機指令高度和月面實際關(guān)機高度有偏差。

為了確保伽馬關(guān)機敏感器的實際指令高度滿足設(shè)計要求，就必須在模擬月壤的真空環(huán)境下進行敏感器的高度標定與性能測試。

2 試驗裝置的設(shè)計

為了在4.5 m 高度下模擬月球著陸器的著陸運動，試驗裝置應(yīng)包含有三維著陸模擬系統(tǒng)。根據(jù)伽馬關(guān)機敏感器的發(fā)射角度和伽馬射線對月壤的穿透深度，可以推導(dǎo)出模擬月壤的有效直徑應(yīng)不小于10 000 mm、厚度應(yīng)不小于300 mm，因此，該裝置屬于超大型真空環(huán)境模擬設(shè)備。

模擬月壤采用與月壤一次康普頓散射特性相同的火山灰，其含水量低于1%，因此極易受到外界環(huán)境擾動產(chǎn)生騰起現(xiàn)象，在真空系統(tǒng)的設(shè)計中需要重點考慮。目前超大型真空設(shè)備獲得高真空通常采用低溫冷凝泵和分子泵來實現(xiàn)，而模擬月壤所用的火山灰微粒對這類泵會產(chǎn)生嚴重的危害[2-3]，甚至使其無法正常工作。由于工作真空度只要優(yōu)于10 Pa 就可以滿足伽馬關(guān)機敏感器高度標定的環(huán)境試驗要求，因此可以不使用低溫冷凝泵和分子泵。

月球著陸環(huán)境模擬試驗裝置由真空容器、真空獲得系統(tǒng)、三維著陸模擬系統(tǒng)、模擬月壤環(huán)境、場景監(jiān)視系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)組成。該試驗裝置不僅可以用于伽馬關(guān)機敏感器的高度標定以及性能測試試驗，而且還能夠用于月球著陸器的系統(tǒng)級著陸模擬試驗。該裝置的主要技術(shù)指標如下：

1）真空容器有效尺寸為φ11 000 mm×9 500 mm（柱段高）；

2）極限真空度優(yōu)于1 Pa，工作真空度優(yōu)于10 Pa；

3）模擬月壤鋪設(shè)面積為φ10 m；

4）三維著陸模擬器有效載荷為4 t。

2.1 真空容器

真空容器是該試驗裝置的主體，是其他系統(tǒng)的交會中心。

真空容器（見圖2）為立式圓柱結(jié)構(gòu)，其上端是大門，直徑8000 mm，用于大型產(chǎn)品及工裝的進出；下端是封頭；中間為圓柱段，其直徑為11000 mm、 高度為9500 mm，在側(cè)壁上開有φ5000 mm 的側(cè)門，用于產(chǎn)品、工裝以及人員的進出。

圖2 真空容器示意圖Fig.2 The vacuum vessel

真空容器選用0Cr18Ni9 材料，容器基本參數(shù)見表1。

表1 容器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the container

為了保證開孔后容器的整體穩(wěn)定性，在工藝上采取一系列措施，如：在開孔處采用加強筋補強；在開孔與容器的相貫線內(nèi)表面采用圓角過渡，而外表面實施堆焊[3-4]。完成容器結(jié)構(gòu)設(shè)計后，采用有限元分析軟件對容器進行校核，校核結(jié)果如圖3所示。

圖3 容器應(yīng)力及形變量云圖Fig.3 Stress and deformation contours of the container

為了確保真空容器的密封性能，對所有焊縫除了進行X 光照相外，還要逐段進行100%檢漏。

2.2 真空獲得系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的真空度要求，真空獲得系統(tǒng)的構(gòu)成如下：前級泵為LG150 無油干泵，次級泵為ZJQ600直排大氣羅茨泵，后級泵為ZJP2500 羅茨泵；且所選用泵組均具有抽取煙氣和粉塵功能，火山灰微粒不會對泵產(chǎn)生危害。真空獲得系統(tǒng)為兩套真空泵機組組成，其抽速為5000 L/s。

在抽真空和復(fù)壓過程中，為了防止真空室內(nèi)氣體湍流作用導(dǎo)致嚴重的火山灰騰起現(xiàn)象，須采取如下措施：

1）抽氣口和復(fù)壓口遠離模擬月壤區(qū)域，并在氣口處采取多層逐級遮擋措施，防止氣流產(chǎn)生較大的局部擾動；

2）抽真空和復(fù)壓的速率不宜過大，根據(jù)縮比試驗計算得到最大抽氣速率≤5000 L/s，最大復(fù)壓速率≤10 Pa/s，否則容易產(chǎn)生火山灰騰起現(xiàn)象。

系統(tǒng)工作時，首先啟動LG150 無油干泵和ZJQ600 羅茨泵，將容器內(nèi)壓力從1 個大氣壓抽至1×103Pa 后，再啟動ZJP2500 羅茨泵抽真空至10 Pa。粗抽主管口徑為400 mm、長約8 m；粗抽泵與主管之間相連的支管口徑為400 mm、長8 m。真空容器容積約為1200 m3，經(jīng)估算該真空獲得系統(tǒng)抽真空到10 Pa 的時間約為3 h，但考慮到模擬月壤的影響，須采用較小的抽速，所以實際抽氣時間大于3 h。模擬月壤制作時已進行72 h 的真空烘烤除氣，充分去除火山灰微粒附著的氣體分子和水分，因此試驗抽真空過程中模擬月壤的出氣主要來源于火山灰顆粒之間縫隙中的氣體。本設(shè)備所用的模擬月壤顆粒之間縫隙的含氣量約為50%～60%，因此直徑10 000 mm、厚度500 mm 的模擬月壤所產(chǎn)生的出氣量會導(dǎo)致真空抽氣時間延長至6～7.5 h。

2.3 三維著陸模擬系統(tǒng)

在模擬著陸試驗過程中，三維著陸模擬系統(tǒng)將攜帶著裝有伽馬關(guān)機敏感器的模擬著陸器進行三維運動，能夠以不同速度模擬在接近月球表面最后4.5 m 的下降過程。三維著陸模擬系統(tǒng)在真空環(huán)境下需具備三維運動和精確控制的能力，并具有無油潤滑、防真空放電等諸多特性，其設(shè)計考慮如下：

1）在真空容器的內(nèi)壁上安裝支撐主梁，用于三維著陸模擬系統(tǒng)支撐；

2）有效載荷質(zhì)量不小于4 t，其外型尺寸的高為2.16 m、最大投影直徑4.88 m；

3）各方向有效運動行程：x、y方向均為±3.5 m，z方向為保證吊鉤最下沿距容器地面不低于6.5 m；

4）各方向運動速度連續(xù)可調(diào)；

5）潤滑采用揮發(fā)性低的潤滑材料；

6）機構(gòu)各構(gòu)件外表面要盡量進行著黑處理，以減小背景噪聲影響；

7）采用遠程控制實現(xiàn)行走機構(gòu)的三維運動、回零、定位移動等功能的實時控制。

系統(tǒng)運動控制原理為：

1）在各方向上利用閉環(huán)控制的伺服電機及減速器驅(qū)動精密絲桿，通過絲桿上的光柵尺讀數(shù)，將系統(tǒng)的運動參數(shù)與控制系統(tǒng)指令參數(shù)時時對比，實現(xiàn)移動位置的精確自動修正；

2）同時在系統(tǒng)中加進軟啟動變頻調(diào)速功能，并將激光測距傳感器固定在支架結(jié)構(gòu)上，向真空室頂部發(fā)射激光束進行實時測距，以提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三維著陸模擬系統(tǒng)圖Fig.4 3D landing simulation system

2.4 模擬月壤環(huán)境

在真空容器中的月壤支撐平臺上建立模擬月壤環(huán)境。月壤支撐平臺是一個有效直徑為10 000 mm 的圓形平臺結(jié)構(gòu)，主要由拼裝式圍板組成。平臺支撐結(jié)構(gòu)是可拆卸“井”字型框架，安裝在容器壁底部的裝配固定點處。平臺中間附近空白處設(shè)置可調(diào)節(jié)高度的支撐桿，并起到輔助支撐作用。模擬月壤環(huán)境狀態(tài)如圖5所示。

圖5 模擬月壤環(huán)境狀態(tài)示意圖Fig.5 Lunar soil simulation environment

對月壤樣品進行分析發(fā)現(xiàn)：密度范圍基本上在1.3～1.7 g/cm3，在月壤表層，其密度約為1.3 g/cm3；在深度為100 mm 時，密度增大到1.5 g/cm3以上[5]，即月壤密度隨深度的增加而增大。伽馬粒子與表層月壤發(fā)生康普頓散射，散射粒子的數(shù)量和能量與月壤的密度有關(guān)，因此月壤密度是影響伽馬粒子康普頓散射效應(yīng)的主要因素。

試驗所用模擬月壤的顆粒級配見表2?？偟哪M月壤厚度為500 mm，隨著深度增加密度逐漸增大，大顆?；鹕交液恳蚕鄬υ龆?。若伽馬關(guān)機敏感器關(guān)機高度為3 000 mm，由于向月面發(fā)射伽馬粒子的錐角為119°左右，所以在月面的照射范圍為φ10 000 mm 左右。

表2 火山灰顆粒級配表Table 2 Ash particle grading

2.5 場景監(jiān)視系統(tǒng)

伽馬源屬于放射性物質(zhì)，試驗過程中所有操作均須保證一定的安全距離，因此在容器內(nèi)安裝場景監(jiān)視系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控和記錄真空容器內(nèi)試驗裝置及產(chǎn)品的工作狀態(tài)，并能夠事后追溯、還原工作過程。

整套系統(tǒng)采用高清晰智能實時攝錄設(shè)備，可多路實時監(jiān)視并具備以下功能：單/多畫面切換；實時錄像，自動定時，動態(tài)檢測錄像，隨時檢索；錄像存儲方式包括DVD 刻錄和硬盤機；攝像頭與控制云臺可在真空環(huán)境下工作，活動部件采用無油污染潤滑。

2.6 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要服務(wù)對象為真空獲得系統(tǒng)、三維著陸模擬系統(tǒng)以及場景監(jiān)視系統(tǒng)，可全面掌握設(shè)備運行狀態(tài)及試驗測試數(shù)據(jù)，將各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)以數(shù)據(jù)和圖像兩種形式發(fā)送到總控制間，從而實現(xiàn)高效、安全的閉環(huán)控制。

2.7 防止月壤騰起的設(shè)計

為了從根本上解決模擬月壤騰起問題，除了降低抽氣速度、在抽氣口和復(fù)壓口處設(shè)置遮擋措施之外，還在真空室內(nèi)安裝了月壤防爆騰裝置。該裝置采用尼龍綢布遮擋在月壤上，并固定在圓形月壤支撐平臺外側(cè)導(dǎo)軌的支座上。支座中一個為固定支座，其余均可在圓形導(dǎo)軌上自由滑動。試驗開始前，將尼龍綢布繃緊固定在支座上，與容器內(nèi)壁上安裝的尼龍布拖動機構(gòu)連接，使月壤平臺完全被尼龍綢布所遮擋。當容器內(nèi)的真空度達到試驗要求時，再利用電驅(qū)動機構(gòu)將尼龍布拖至月壤平臺外側(cè)，使暴露的模擬月壤面積完全滿足伽馬粒子照射的要求（參見圖6）。

圖6 模擬月壤防騰起裝置示意圖Fig.6 The equipment for preventing the soaring of lunar soil simulant

3 結(jié)束語

月球著陸環(huán)境模擬試驗裝置是我國第一套具有綜合功能的大型試驗設(shè)備，在真空環(huán)境中既建立了模擬月壤環(huán)境，還配備了三維著陸模擬系統(tǒng)以及完善的自動測控管理系統(tǒng)。該試驗裝置具有廣闊的應(yīng)用前景，不僅可以用于當前月球著陸伽馬關(guān)機敏感器的高度標定和性能測試試驗，而且能夠用于月球著陸器系統(tǒng)級月面著陸模擬試驗以及未來的火星著陸技術(shù)的研究。

若在該試驗裝置上增設(shè)低溫熱沉，除了真空和模擬月壤環(huán)境之外，還可以實現(xiàn)低溫甚至高低溫循環(huán)環(huán)境，為各種著陸技術(shù)的研究提供更加真實的試驗環(huán)境，有助于進一步評價著陸器的性能和可靠性。

（References）

[1]蔣萬松, 黃偉.月球著陸器著陸穩(wěn)定性仿真分析[J].航天返回與遙感, 2010, 31(6):16-22 Jiang Wansong, Huang Wei.Simulation analysis of landing stability for lunar lander[J].Spacecraft Recovery &Remote Sensing, 2010, 31(6):16-22

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[5]鄒猛, 李建橋, 劉國敏, 等.模擬月壤地面力學性質(zhì)試驗研究[J].巖土力學, 2011, 32(4):1057-1061 Zou Meng, Li Jianqiao, Liu Guomin, et al.Experimental study of terra-mechanics characters of simulant lunar soil[J].Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(4):1057- 1061