一種深空粒子采樣返回探測器構(gòu)型設想

逯運通，張正峰，傅子敬，張旭輝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

空間粒子探測是空間科學與深空探測研究的熱點方向之一，對于研究太陽系的起源具有十分重要的作用，受到了歐美等國的高度關(guān)注。美國開展了以太陽風粒子、空間塵埃等為目標的采樣返回探測任務，截至目前，共開展2次粒子采樣返回任務：“星塵號”（見圖1）和“起源號”（見圖2）。“星塵號”探測器以收集彗星塵埃和星際塵埃為目標，于1999年2月7日發(fā)射；2004年1月2日探測器在距81P/Wild 2彗星240 km處飛過，收集了彗發(fā)的塵埃樣品，并拍攝了冰彗核的詳細照片；2006年1月15日凌晨，“星塵號”返回艙成功著陸在UTTR西北部的試驗著陸區(qū)[1]。

圖1 “星塵號”探測器飛行效果圖及回收后狀態(tài)Fig.1 The configuration of the Stardust spacecraft during flight and after landing

“起源號”探測器的任務是采集太陽風塵微粒并返回地球，于2001年8月8日發(fā)射，2001年11月6日到達日地第一拉格朗日點的任務軌道，并開展長達850 d、往返飛越300多萬km的太陽風粒子收集任務；2004年9月8日，“起源號”返回艙在第二宇宙速度下以彈道式再入方式返回地球，由于加速度開關(guān)安裝錯誤，降落傘未能及時打開，造成樣品返回艙摔壞[2]。

圖2 “起源號”探測器飛行效果圖及回收后狀態(tài)Fig.2 The genesis spacecraft during flight and after landing

本文首先對“星塵號”“起源號”兩個典型的粒子采樣返回探測器的構(gòu)型進行了分析，總結(jié)歸納了該類探測器及其返回艙的構(gòu)型特點，結(jié)合我國月地高速再入返回飛行器的構(gòu)型特點，提出了一種開展深空粒子采樣返回任務可采用的探測器構(gòu)型。

1 國外粒子采樣返回探測器構(gòu)型

1.1 “星塵號”探測器

1.1.1 探測器構(gòu)型

“星塵號”探測器由一個長方形的服務平臺和流線型返回艙組成，幾何尺寸為1.7 m×0.66 m×0.66 m，重量為385 kg，其中返回艙46 kg，推進劑85 kg。“星塵號”探測器的設計理念是盡量采用簡單的設計，較少采用鉸接機構(gòu)，并大量繼承以往空間探測器留下的部件和設計。

探測器服務平臺為長方形，外面板采用碳纖維復合材料，內(nèi)部使用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)；兩側(cè)各設置1個太陽能電池帆板，其發(fā)射時為收攏狀態(tài)，入軌后展開，展開長度為4.8 m，展開面積為6.6 m2，太陽能電池帆板為固定式，無法調(diào)整方向；“星塵號”探測器的天線包括1個直徑0.6 m的拋物面形高增益發(fā)射接收天線、1個中增益發(fā)射天線和3個低增益接收大線，均布置于探測器的側(cè)面，其中高增益天線為固定式，無法調(diào)整方向；為了防備飛過彗星時高速塵埃顆粒擊傷儀器，在探測器前面設置惠普爾防護裝置，由5層碳纖維和陶瓷纖維織物組成，可以有效保護探測器的安全。“星塵號”探測器的構(gòu)形如圖3所示[4-5]。

圖3 “星塵號”探測器構(gòu)型Fig.3 The configuration of the Stardust spacecraft

“星塵號”探測器采用氣溶膠塵埃收集器收集彗星塵埃和星際粒子，它平時折疊收藏在探測器樣品返回艙中，工作時返回艙的艙門打開，塵埃收集器從中伸出。收集器可以兩面使用，當探測器以6 km/s的速度飛掠彗核表面時，利用格柵正面捕獲彗星塵埃微粒；當探測器與高速運動的星際粒子束流大致同一方向飛行時，由于粒子束流的速度比探測器快約為25 km/s，可以利用格柵的反面來捕獲星際粒子。在捕捉不同的物質(zhì)時，“星塵號”探測器的構(gòu)形不同，特別是捕獲方向不同，探測器捕獲彗星塵埃和星際塵埃時的構(gòu)型如圖4所示[5]。

圖4 “星塵號”探測器收集樣品時構(gòu)型Fig.4 The configuration of the Stardust spacecraft during collecting sample

1.1.2 返回艙構(gòu)型

樣品返回艙位于探測器的尾部，它的任務就是存儲并保護好“星塵號”飛行期間收集的彗星與星際塵埃粒子，并安全地將它們帶回地球。“星塵號”返回艙外形如圖5所示。返回艙的前半部分是60°半錐角圓錐形狀，頭部半徑為0.22 m，肩部半徑0.02 m，最大直徑為0.811 m，后半部分是一個被截平的30°半錐角形狀，底部直徑為0.494 m[6]。

圖5 “星塵號”探測器返回艙外形Fig.5 The configuration of the Stardust sample return capsule

返回艙的結(jié)構(gòu)如圖6所示，防熱結(jié)構(gòu)采用PICA和SLA-561材料，分為后殼和防熱大底2部分組成，二者通過鉸鏈打開和關(guān)閉，并通過鎖定機構(gòu)鎖定。返回艙頭部安裝傘艙，設置降落傘，內(nèi)部安裝有氣溶膠塵埃收集器、能拍攝高分辨率照片的相機、能獲取彗星數(shù)據(jù)的其他科學儀器及電子設備。返回艙收集彗星塵埃粒子時，后殼結(jié)構(gòu)像蚌殼一樣打開，釋放出氣溶膠塵埃收集器來捕獲塵埃粒子，待取樣完成后，氣溶膠塵埃收集器能自動向下折疊收進返回艙，納入密封的樣品儲存罐內(nèi)，最后后殼像蚌殼一樣合攏封閉起來[5]。

圖6 “星塵號”探測器返回艙構(gòu)型Fig.6 The diagram of the Stardust sample return Capsule

1.2 “起源號”探測器

1.2.1 探測器構(gòu)型

“起源號”探測器由探測器服務平臺和返回艙組成，如圖7所示。探測器長2.3 m，寬2 m，太陽電池翼展開跨度為7.9 m。探測器發(fā)射重量636 kg，其中返回艙重量206 kg，推進劑142 kg?！捌鹪刺枴碧綔y器服務平臺是一個矩形艙板結(jié)構(gòu)，艙板上安裝了工程部件和科學儀器，中增益天線安裝在艙板下側(cè)，低增益天線安裝在太陽翼上?！捌鹪刺枴碧綔y器上的4套科學儀器由8種有效載荷組成，包括3個專用采集器陣列、2個塊狀采集器陣列、1個集中器、1臺離子檢測儀和1臺電子監(jiān)測儀。發(fā)射階段2個太陽翼收攏在一起，發(fā)射入軌后釋放，太陽翼的收攏、展開和鎖定通過鉸鏈及鎖定機構(gòu)完成[2]。

圖7 “起源號”探測器構(gòu)型Fig.7 The configuration of the Genesis spacecraft

1.2.2 返回艙構(gòu)型

“起源號”返回艙氣動外形如圖8所示。返回艙的前端與“星塵號”返回艙相似，但后端由兩個錐截面組成，其中第一個錐截面的倒錐角為20°，第二個錐截面的倒錐角為61.6°。整艙直徑為1.52 m，高度0.964 m[8-9]。

圖8 “起源號”探測器返回艙外形Fig.8 The configuration of the Genesis sample return capsule

“起源號”返回艙構(gòu)型如圖9所示，是一個直徑1.52 m的鈍頭錐體，由5個主要組成部分：防熱大底、后罩、科學容器、降落傘系統(tǒng)和電子設備。其中降落傘系統(tǒng)布置于返回艙的頂部，其引導傘布置在頂部中心位置，主傘布置于引導傘的周圍；科學容器布置于返回艙中部，內(nèi)部安裝太陽風采集陣列及離子收集器，收集陣可通過中心旋轉(zhuǎn)機構(gòu)展開；電子設備布置在樣品回收容器的周圍，安裝在設備安裝板上。返回艙的后罩和防熱大底通過外部鉸鏈進行打開或關(guān)閉，為了避免其影響返回艙的氣動和熱防護，在返回前與返回艙分離[2,7]。

圖9 “起源號”探測器返回艙構(gòu)型Fig.9 The diagram of the Genesis sample return capsule

1.3 國外粒子采樣返回探測器構(gòu)型特點

國外粒子采樣返回探測器的構(gòu)型主要有以下特點：

1）探測器的構(gòu)型普遍分為2個艙段，即服務平臺和返回艙，其中服務平臺采用長方形箱體結(jié)構(gòu)或板型結(jié)構(gòu)，返回艙采用球錐外形；

2）樣品收集器布置于返回艙內(nèi)，發(fā)射和返回時樣品收集器折疊或收攏在返回器艙內(nèi)，收集樣品時樣品收集器展開進行粒子捕獲；

3）返回艙主結(jié)構(gòu)主要分為防熱大底、后罩和設備安裝板，其中后罩和防熱大底可通過鉸鏈打開和關(guān)閉，設備安裝板主要用于安裝返回艙的電子設備；

4）返回艙裝器設備主要分為三類：傘系、樣品收集裝置及科學容器、電子設備，傘系安裝在返回艙的頭部，電子設備主要安裝在艙內(nèi)的儀器艙板上，樣品收集器及科學艙安裝在返回艙中部；

5）探測器服務平臺的任務主要是服務于返回艙，其構(gòu)型設計主要是適用于承載返回艙、太陽翼、天線、推進貯箱和其他電子設備，國外主要采用簡單、成熟的長方形箱體結(jié)構(gòu)和艙板結(jié)構(gòu)。

2 我國深空粒子采樣返回探測器構(gòu)型設想

2.1 探測器構(gòu)型

截止到目前，我國尚未發(fā)射深空粒子采樣返回任務的探測器。不過我國已于2014年底完成月地高速再入返回試驗任務，對我國開展粒子采樣返回探測任務具有一定的借鑒意義。月地高速再入返回飛行器采用艙器聯(lián)合設計的方式，由服務艙和返回器組成，探測器構(gòu)型示意如圖10所示；返回器采用鐘罩側(cè)壁加球冠大底的構(gòu)型，服務艙主體采用長方形箱體結(jié)構(gòu)構(gòu)型，返回器通過結(jié)構(gòu)支架安裝于服務艙艙體頂端，艙器間設置推桿、火工鎖等產(chǎn)品用于艙器的連接、解鎖和分離[3]。

圖10 月地高速再入返回飛行器構(gòu)型Fig.10 The configuration of circumlunar return and reentry spacecraft

鑒于國外粒子采樣返回探測器的構(gòu)型特點，和我國已經(jīng)完成月地高速再入返回任務的技術(shù)基礎，我國粒子采樣返回探測器的構(gòu)型設計形式可借鑒月地高速再入返回飛行器，并根據(jù)任務特點對設備的配置和布局進行適應性的修改，以充分繼承現(xiàn)有成熟技術(shù)，提高任務成功的可靠性。探測器的構(gòu)型可以采用多種方式，本文介紹一種基于充氣式粒子收集器對應的構(gòu)型方式，探測器由服務平臺和返回器組成，返回器安裝于服務平臺的頂部，如圖11所示。返回器內(nèi)部設置充氣式采樣器，用于完成太陽風粒子或空間塵埃等深空粒子收集、再入返回等任務。

圖11 深空粒子采樣返回探測器發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型Fig.11 The configuration of sampling and return spacecraft's configuration during launch

探測器在收集太陽風等動能較小的深空粒子時，太陽翼保持展開狀態(tài)；在收集高速塵埃等動能較大的粒子流時，將太陽翼收攏，并采用蓄電池供電，以保護太陽翼不受損傷。探測器收集深空粒子時的構(gòu)型如圖12所示。

圖12 深空粒子采樣探測器飛行狀態(tài)構(gòu)型Fig.12 The configuration of sampling and return spacecraft's configuration during fight

服務平臺主要用于支撐返回器和為探測器提供能源、通信、姿軌控等服務，采用中心承力筒+蜂窩板的長方形箱體結(jié)構(gòu)，尺寸包絡為0.8 m×0.8 m×1.1 m，重量約為500 kg，攜帶推進劑300 kg，星體兩側(cè)設置兩個可進行重復展開和收攏的太陽翼；推進器貯箱布置于承力筒內(nèi)部；其他設備，如GNC設備、天線、電源、推進設備等遵循分系統(tǒng)設備集中布置原則，分布于艙體的各艙板上，側(cè)面安裝有一個能夠適應于深空通信的高增益天線。

2.2 返回器構(gòu)型

返回器用于完成太陽風粒子或空間塵埃等深空粒子收集、再入返回等任務。為了適應粒子采樣器的布局、提高內(nèi)部空間使用效率和減輕重量，返回器采用倒錐側(cè)壁+球冠大底的構(gòu)型，橫向包絡和高度均為0.5 m左右，重量為80 kg左右，承載容積0.07 m3。返回器構(gòu)型分為前端、側(cè)壁和后端三部分，如圖13所示。前端布置有樣品容器艙和傘艙，內(nèi)部分別設置充氣式粒子收集器和減速傘；側(cè)壁布置天線系統(tǒng)、推進系統(tǒng)及其他小型電子設備；后端大梁是安裝器內(nèi)主要電子設備的部位，后端大底是緩沖著陸沖擊載荷的關(guān)鍵部位，僅安裝少量測量用傳感器[10]。返回器從外向內(nèi)依次為防熱結(jié)構(gòu)、金屬承力結(jié)構(gòu)；前端、側(cè)壁為承力金屬內(nèi)層+防熱外層的雙層結(jié)構(gòu)，大底為防熱與承力一體化設計的大底。

圖13 返回器外形及構(gòu)型分解圖Fig.13 The configuraion of the return capsule

根據(jù)采樣任務需求，返回器前端安裝一個樣品艙，并配備一個可打開和關(guān)閉的艙蓋，樣品艙內(nèi)部設置一個充氣展開、放氣收縮的粒子收集器，重量約為1 kg，展開面積為0.5 m2左右；收集器采用高彈性高強度材料，初始為收縮狀態(tài)。在探測器到達采樣位置后，返回器打開艙蓋，采樣收集器充氣展開并進行粒子收集，待采樣完成后，將收集器放氣收攏回返回器樣品艙內(nèi)，關(guān)閉艙蓋完成粒子收集任務。返回器粒子采集過程的構(gòu)型如圖14所示。

圖14 返回器粒子收集過程構(gòu)型圖Fig.14 The configuration of the return capsule during collecting sample

2.3 構(gòu)型特點

設想的粒子采樣返回探測器的構(gòu)型主要有以下3個特點：

1）探測器的構(gòu)型借鑒了月地高速再入返回飛行器，采用服務平臺和返回器，服務平臺構(gòu)型為長方形箱體結(jié)構(gòu)，返回器采用倒錐側(cè)壁加球冠大底的構(gòu)型；

2）樣品收集器采用充氣式，布置于返回器內(nèi)，發(fā)射和返回時樣品收集器收攏于在返回器艙內(nèi)，收集樣品時樣品收集器充氣展開，進行粒子捕獲，充氣式采樣器具有體積小、重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實施簡單等特點；

3）探測器的太陽翼可進行重復的展開和收攏，能夠適應收集不同類型深空粒子的需求。

3 結(jié)束語

本文針對國外粒子采樣返回探測器的構(gòu)型進行了分析，梳理了該類探測器的構(gòu)型特點，結(jié)合我國月地高速再入返回飛行器的構(gòu)型設計，提出了我國開展深空粒子采樣返回任務的探測器構(gòu)型。探測器采用服務平臺加返回器的構(gòu)型形式，可以較好地適應我國已有的技術(shù)基礎，有利于降低成本和提高可靠性；采用充氣式采樣器進行粒子收集，具有體積小、重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實施簡單等特點；采用了可重復收攏展開的太陽翼，能夠適應收集不同類型深空粒子的需求。本文提出的構(gòu)型方案可以為后續(xù)深空粒子采樣返回任務的構(gòu)型設計提供參考借鑒。