“天問(wèn)一號(hào)”火星著陸器表面磁場(chǎng)探測(cè)儀傳感器力學(xué)設(shè)計(jì)分析研究

董宜煊，張 磊，曾 立，孟立飛

（1.北京信息科技大學(xué) 高端信息產(chǎn)業(yè)研究院，北京 100196；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094;3.北京航空航天大學(xué)空間與環(huán)境學(xué)院，北京 100191；4.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

我國(guó)第一個(gè)自主研制的火星探測(cè)器——“天問(wèn)一號(hào)”于北京時(shí)間2020年7月23日由長(zhǎng)征五號(hào)火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射基地順利發(fā)射升空，預(yù)示我國(guó)成功邁出了行星探測(cè)的第一步，我國(guó)就此成為成功向火星發(fā)射探測(cè)器的國(guó)家之一。

自1960年前蘇聯(lián)發(fā)射第一枚火星探測(cè)器，人類便競(jìng)相開(kāi)始了對(duì)火星的探測(cè)，已有40余枚航天器到達(dá)過(guò)火星?；鹦鞘请x太陽(yáng)第四近的行星，是太陽(yáng)系中最近似于地球的天體之一[1]。自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分，公轉(zhuǎn)周期約為2個(gè)地球年，為687天，因此火星有類似地球的四季交替與晝夜變化[2]。通過(guò)探索火星，研究火星的空間環(huán)境、磁場(chǎng)、氣候、地貌等，并掌握其規(guī)律，有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球和太陽(yáng)系的形成和演化，探尋和開(kāi)發(fā)空間資源[3～7]。

但受限于運(yùn)載火箭的能力，每隔大約26個(gè)月，地球與火星會(huì)運(yùn)行至最近的位置，此時(shí)可以用最短的時(shí)間、最近的路程以及最少的能量消耗從地球到達(dá)火星，被稱為火星探測(cè)器發(fā)射的窗口期[8]。2020年即是火星探測(cè)器發(fā)射非常有利的時(shí)期。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“毅力號(hào)”（Mars2020任務(wù)）于北京時(shí)間2020年7月30日由宇宙神運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射成功，按計(jì)劃于2021年2月登陸火星表面，“毅力號(hào)”火星車將首次采集火星巖石樣本返回地球[9]。阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”火星探測(cè)器于北京時(shí)間2020年7月20日由日本火箭在日本種子島成功點(diǎn)火升空，該任務(wù)是阿拉伯世界的首次星際探索。此項(xiàng)任務(wù)即將探測(cè)火星大氣層的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能極大地促進(jìn)阿聯(lián)酋的工業(yè)和科學(xué)能力[10]。

“天問(wèn)一號(hào)”目前已被火星捕獲，其主要科學(xué)任務(wù)目標(biāo)是探測(cè)火星環(huán)境，尋找火星上現(xiàn)在及過(guò)去生命存在的證據(jù)[11]，為此，“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射了一個(gè)火星環(huán)繞器和一個(gè)火星表面著陸器來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合探測(cè)。火星表面著陸器搭載的火星氣象站（Mars Climate Station，MCS）探索火星的氣候和環(huán)境特征，同時(shí)測(cè)量大氣，溫度，壓力，風(fēng)場(chǎng)和火星表面的聲音[12]。磁場(chǎng)也是“天問(wèn)一號(hào)”火星氣象環(huán)境探測(cè)任務(wù)中的一個(gè)重要測(cè)量要素。

與地球不同，1993年火星全球勘測(cè)者計(jì)劃（Mars Global Surveyor，MGS）開(kāi)展的磁場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)已證實(shí)火星沒(méi)有全球磁場(chǎng)[13]，因此火星沒(méi)有發(fā)電機(jī)效應(yīng)，太陽(yáng)風(fēng)將凍結(jié)的行星際磁場(chǎng)(Interplanetary Magnetic Field，IMF)拖拽到火星周圍形成圍繞火星的磁層[14]。經(jīng)過(guò)兩個(gè)火星年以上的測(cè)繪工作，基于火星地殼中的剩磁，火星全球勘測(cè)者（MGS）首度繪制了火星全球磁場(chǎng)圖[15]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的火星大氣與揮發(fā)物演化(MAVEN)航天器攜帶了由兩個(gè)獨(dú)立的三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)傳感器組成的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，以每秒32個(gè)矢量樣本的固有采樣率對(duì)火星環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行采樣，其觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成對(duì)火星磁場(chǎng)及其歷史演化的重要研究基礎(chǔ)[7]。

在“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)執(zhí)行期間，環(huán)繞器將反復(fù)越過(guò)火星磁層邊界，搭載的火星軌道磁力儀（Mars Orbiter Magnetometer，MOMAG）通過(guò)測(cè)量接近火星空間不同區(qū)域的磁場(chǎng)特性來(lái)系統(tǒng)研究火星整體磁場(chǎng)[11]。同時(shí)火星著陸器還搭載火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（Mars Rover Magnetometer，RoMAG）在火星表面進(jìn)行連續(xù)的高精度矢量測(cè)量，主要完成以下三個(gè)功能：

1）探測(cè)巡視區(qū)火星磁場(chǎng)，確定磁場(chǎng)指數(shù)。

2）與環(huán)繞器配合，探測(cè)火星空間磁場(chǎng)，研究火星電離層電子濃度、電導(dǎo)率等特性，并進(jìn)一步反演出火星電離層的發(fā)電機(jī)電流等。

3）通過(guò)探測(cè)火星表面磁場(chǎng)躍變，來(lái)推演火星內(nèi)部的局部及整體結(jié)構(gòu)，并研究火星深部導(dǎo)電率、圈層厚度、溫度等特征。

作為安裝在“天問(wèn)一號(hào)”著陸器上的電子產(chǎn)品，與火星軌道磁力儀（MOMAG）相比，火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）不僅要承受運(yùn)輸、發(fā)射、上升以及在軌運(yùn)行各個(gè)階段的震動(dòng)環(huán)境，還要承受火星著陸器的進(jìn)入、減速和著陸過(guò)程[16]，力學(xué)條件十分惡劣。火星著陸器在進(jìn)入大氣層之后，首先通過(guò)著陸艙的氣動(dòng)外形在有牽引力或無(wú)牽引力的狀態(tài)下減速（通常高度為距火星地面125km，速度約為5.6km/s），而后彈出降落傘（通常高度為距火星地面10km，速度約為470m/s），再度減速[17]，然后，在即將到達(dá)地面時(shí)，制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，利用反推力作用實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減速，最終通過(guò)著陸支架或打開(kāi)氣囊的方式實(shí)現(xiàn)著陸緩沖，最后完成著陸器軟著陸[18]。“天問(wèn)一號(hào)”在運(yùn)輸、發(fā)射、上升、在軌運(yùn)行各個(gè)階段以及在火星進(jìn)入、減速和著陸過(guò)程中，由于飛行狀態(tài)和環(huán)境變化劇烈，強(qiáng)烈的震動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響大多數(shù)元器件，如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)，震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致元器件失效，進(jìn)而引起整個(gè)設(shè)備失常。同時(shí)由于火星環(huán)境與我們熟知的地球環(huán)境截然不同，其環(huán)境參數(shù)具有極大的未知與不確定性，因此，通過(guò)力學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)控制設(shè)備內(nèi)部元器件的固有頻率，使其在工作的環(huán)境條件下不低于規(guī)定的允許最低固有頻率顯得尤為重要。此外，由于火星探測(cè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)非常高，且資源有限，“天問(wèn)一號(hào)”搭載的精密測(cè)量?jī)x器有效載荷必須符合苛刻的規(guī)格。體積小、重量輕、低功耗、穩(wěn)定性高、高可靠性都是火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）必須滿足的要求，這也同時(shí)為火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）的力學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

2 表面磁場(chǎng)探測(cè)儀整體布局及設(shè)計(jì)

天問(wèn)一號(hào)著陸器火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）包括兩個(gè)傳感器探頭用來(lái)采集磁場(chǎng)信號(hào)，以消除背景磁場(chǎng)的影響。兩個(gè)傳感器探頭分別安裝于桅桿頂端和桅桿底部。整個(gè)系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

2.1 傳感器探頭外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器探頭是磁場(chǎng)測(cè)量的前端部件，該部件的優(yōu)異性能是高精度磁場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)。傳感器探頭外形采用近圓柱體設(shè)計(jì)，外殼主要由上蓋、底座和印制板組成，外殼為整體一體化設(shè)計(jì)。傳感器底部用鈦釘固定于伸桿上，傳感器探頭整體設(shè)計(jì)考慮到其微振動(dòng)測(cè)量的用途，采取小型化、輕量級(jí)設(shè)計(jì)，減小衛(wèi)星整體配重同時(shí)降低衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)難度。

圖2 傳感器探頭外形設(shè)計(jì)圖

傳感器外殼部分金屬材料的選取主要從強(qiáng)度、加工性能、重量以及結(jié)合以往成功型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)等諸因素考慮，采用鎂鋁合金，表面黑色陽(yáng)極化處理。這種材料具有較高的熱傳導(dǎo)性能，且具有強(qiáng)度高、比重輕的特點(diǎn)。

為降低結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中的響應(yīng)，滿足力學(xué)環(huán)境及空間環(huán)境條件的要求，整機(jī)裝配前需進(jìn)行固封，固封的部位包括印制板上大的插裝元器件、功率變壓器、機(jī)箱各處螺釘?shù)取?/p>

2.2 傳感器探頭功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線圈為傳感器的功能主體，其主要由反饋線圈、感應(yīng)線圈、激勵(lì)線圈三部分構(gòu)成。這些線圈均為同心線圈組，由直徑小于1mm的漆包線多圈繞制而成。由于采用的線圈為無(wú)骨線圈，因此支撐骨架選用硬質(zhì)的航天級(jí)鋁合金材料。該材料熱膨脹系數(shù)與線圈接近，并具有硬度大、重量輕、便于加工等優(yōu)點(diǎn)。支撐骨架由兩個(gè)橫梁、四根橫柱、四根立柱三部分構(gòu)成組成。線圈采用航天級(jí)膠水粘合固定在骨架之上，骨架的立柱通過(guò)螺絲固定于外殼底板上。如圖3所示。

圖3 傳感器探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 有限元建模及仿真

本節(jié)以傳感器探頭為分析對(duì)象，利用Patran和Nastran軟件對(duì)傳感器探頭進(jìn)行有限元建模、模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、加速度分析和隨機(jī)響應(yīng)分析，驗(yàn)證傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以滿足型號(hào)在規(guī)定的工作條件下高可靠、長(zhǎng)壽命的使用要求。

3.1 建立有限元模型

建立的實(shí)體模型如圖4所示。采用自動(dòng)剖分與手工相結(jié)合的方式劃分有限元網(wǎng)格，建立的有限元模型如圖5所示。有限元模型相對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要是忽略了結(jié)構(gòu)中小于Φ1mm孔的影響，建模按實(shí)體考慮。

圖4 傳感器探頭結(jié)構(gòu)模型

圖5 探頭有限元模型圖

3.2 材料性能參數(shù)

探頭結(jié)構(gòu)金屬材料采用鎂鋁合金MB8及鋁合金2A12，其典型的材料特性如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

3.3 模態(tài)分析

根據(jù)振動(dòng)理論，結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)可以忽略不計(jì)，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)。探測(cè)器采用底部3個(gè)孔與航天器伸桿固定連接，模態(tài)分析中將全部孔表面節(jié)點(diǎn)固定約束，分析得到模態(tài)頻率如表2所示。結(jié)構(gòu)阻尼值取0.03。由圖表可見(jiàn)，傳感器探頭基頻為2166.2Hz。

表2 前6階模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率

圖6 一階模態(tài)（上：外表面，下：剖視）

3.4 頻率響應(yīng)

表面磁場(chǎng)探測(cè)儀的正弦試驗(yàn)量級(jí)如表3所示。

表3 5Hz～100Hz正弦試驗(yàn)量級(jí)

正弦Xz、Yz、Zz方向應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖如圖7～圖9所示。

圖7 Xz方向正弦應(yīng)力云圖

圖8 Yz方向正弦應(yīng)力云圖

圖9 Zz方向正弦應(yīng)力云圖

3.5 加速度分析

表4 加速度試驗(yàn)量級(jí)

加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖如圖10～圖16所示。

圖10 縱向+10g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖11 縱向+16.5g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖12 縱向-30g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖13 縱向+30g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖14 縱向+26g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖15 縱向+22.5g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖16 橫向4g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

3.6 隨機(jī)響應(yīng)

表面磁場(chǎng)探測(cè)儀的隨機(jī)試驗(yàn)量級(jí)如表5所示。

表5 5Hz～100Hz隨機(jī)試驗(yàn)量級(jí)

選取探頭中部節(jié)點(diǎn)繪制PSD響應(yīng)曲線。

圖17 Xz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)15812的PSD響應(yīng)曲線

圖18 Yz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)15812的PSD響應(yīng)曲線

圖19 Zz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)15812的PSD響應(yīng)曲線

3.7 小結(jié)

通過(guò)MSC.Patran、MSC.Nastran軟件對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到結(jié)構(gòu)基頻為2166.2Hz。在鑒定級(jí)試驗(yàn)條件下，仿真分析得到：X向各響應(yīng)點(diǎn)加載最大應(yīng)力值為5.77×104Pa；Y向各響應(yīng)點(diǎn)加載最大應(yīng)力值為4.85×104Pa；Z向加載各響應(yīng)點(diǎn)最大應(yīng)力值為9.04×104Pa。應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料許應(yīng)力。隨機(jī)響應(yīng)加速度量級(jí)在10-4m/s2。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中，火星著陸器將搭載表面磁場(chǎng)探測(cè)儀首次實(shí)現(xiàn)在地球以外的行星表面磁場(chǎng)觀測(cè)，設(shè)計(jì)了火星環(huán)境下表面磁場(chǎng)探測(cè)儀整體布局與結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了火星磁場(chǎng)測(cè)量的前端部件——傳感器探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)設(shè)計(jì)，并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了力學(xué)仿真驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)在保證表面磁場(chǎng)探測(cè)儀高精度磁場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)之上，考慮了表面磁場(chǎng)探測(cè)儀要承受運(yùn)輸、發(fā)射、上升、在軌運(yùn)行、火星環(huán)境下著陸以及巡航探測(cè)等各個(gè)階段的震動(dòng)環(huán)境，最終通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的有效性及可靠性，為火星乃至其他地外行星表面磁場(chǎng)探測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的理論與技術(shù)支撐。