月球著陸環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方式，確保其著陸穩定性是任務首要目標[1]。在接近月面的著陸最終階段，需要關閉軌控發動機和姿控推力器，而在關機之前，須通過伽馬關機敏感器精確測定離月面的高度，并根據該高度值向著陸器發出關機指令。因此，伽馬關機敏感器的性能直接影響著陸器的著陸穩定性，對著陸任務成敗起關鍵作用。為了提高伽馬關機敏感器的性能和工作可靠性，需要在地面開展空間環境模擬試驗，包括標定試驗和性能測試試驗。

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

1 伽馬關機敏感器的環境影響因素分析

在特定的模擬環境中，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，同時對相關設備以及伽馬關機敏感器進行測試。

月球表面環境和地球表面環境差異較大，伽馬粒子會與大氣中的各種分子撞擊發生反散射，從而使接收器接收到的伽馬粒子數發生變化（見圖1）。因此，伽馬關機敏感器在兩種環境條件下發出的高度指令存在差異。俄羅斯的研究結果表明，大氣對接收器計數率的影響最高可達30%左右，從而導致 很大的結果偏差。在地球大氣環境下進行的伽馬關機敏感器的各種高度標定以及性能測試結果不能直接應用到月球環境中。根據大氣對伽馬粒子傳播的影響以及伽馬關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，對伽馬關機敏感器的計數率也會產生很大影響，最終導致在地球表面標定的關機指令高度和月面實際關機高度有偏差。

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

2 試驗裝置的設計

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

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境擾動產生騰起現象，在真空系統的設計中需要重點考慮。目前超大型真空設備獲得高真空通常采用低溫冷凝泵和分子泵來實現，而模擬月壤所用的火山灰微粒對這類泵會產生嚴重的危害[2-3]，甚至使其無法正常工作。由于工作真空度只要優于10 Pa 就可以滿足伽馬關機敏感器高度標定的環境試驗要求，因此可以不使用低溫冷凝泵和分子泵。

月球著陸環境模擬試驗裝置由真空容器、真空獲得系統、三維著陸模擬系統、模擬月壤環境、場景監視系統以及測控系統組成。該試驗裝置不僅可以用于伽馬關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級著陸模擬試驗。該裝置的主要技術指標如下：

1）真空容器有效尺寸為φ11 000 mm×9 500 mm（柱段高）；

2）極限真空度優于1 Pa，工作真空度優于10 Pa；

3）模擬月壤鋪設面積為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，是其他系統的交會中心。

真空容器（見圖2）為立式圓柱結構，其上端是大門，直徑8000 mm，用于大型產品及工裝的進出；下端是封頭；中間為圓柱段，其直徑為11000 mm、 高度為9500 mm，在側壁上開有φ5000 mm 的側門，用于產品、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，容器基本參數見表1。

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

為了保證開孔后容器的整體穩定性，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表面采用圓角過渡，而外表面實施堆焊[3-4]。完成容器結構設計后，采用有限元分析軟件對容器進行校核，校核結果如圖3所示。

圖3 容器應力及形變量云圖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

根據系統的真空度要求，真空獲得系統的構成如下：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生危害。真空獲得系統為兩套真空泵機組組成，其抽速為5000 L/s。

在抽真空和復壓過程中，為了防止真空室內氣體湍流作用導致嚴重的火山灰騰起現象，須采取如下措施：

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

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

系統工作時，首先啟動LG150 無油干泵和ZJQ600 羅茨泵，將容器內壓力從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，經估算該真空獲得系統抽真空到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 的模擬月壤所產生的出氣量會導致真空抽氣時間延長至6～7.5 h。

2.3 三維著陸模擬系統

在模擬著陸試驗過程中，三維著陸模擬系統將攜帶著裝有伽馬關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。三維著陸模擬系統在真空環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，其設計考慮如下：

1）在真空容器的內壁上安裝支撐主梁，用于三維著陸模擬系統支撐；

2）有效載荷質量不小于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可調；

5）潤滑采用揮發性低的潤滑材料；

6）機構各構件外表面要盡量進行著黑處理，以減小背景噪聲影響；

7）采用遠程控制實現行走機構的三維運動、回零、定位移動等功能的實時控制。

系統運動控制原理為：

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

2）同時在系統中加進軟啟動變頻調速功能，并將激光測距傳感器固定在支架結構上，向真空室頂部發射激光束進行實時測距，以提高系統的平穩性和可靠性。

系統結構如圖4所示。

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

2.4 模擬月壤環境

在真空容器中的月壤支撐平臺上建立模擬月壤環境。月壤支撐平臺是一個有效直徑為10 000 mm 的圓形平臺結構，主要由拼裝式圍板組成。平臺支撐結構是可拆卸“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置可調節高度的支撐桿，并起到輔助支撐作用。模擬月壤環境狀態如圖5所示。

圖5 模擬月壤環境狀態示意圖Fig.5 Lunar soil simulation environment

對月壤樣品進行分析發現：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生康普頓散射，散射粒子的數量和能量與月壤的密度有關，因此月壤密度是影響伽馬粒子康普頓散射效應的主要因素。

試驗所用模擬月壤的顆粒級配見表2。總的模擬月壤厚度為500 mm，隨著深度增加密度逐漸增大，大顆粒火山灰含量也相對增多。若伽馬關機敏感器關機高度為3 000 mm，由于向月面發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 場景監視系統

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

整套系統采用高清晰智能實時攝錄設備，可多路實時監視并具備以下功能：單/多畫面切換；實時錄像，自動定時，動態檢測錄像，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境下工作，活動部件采用無油污染潤滑。

2.6 測控系統

測控系統主要服務對象為真空獲得系統、三維著陸模擬系統以及場景監視系統，可全面掌握設備運行狀態及試驗測試數據，將各分系統的運行狀態以數據和圖像兩種形式發送到總控制間，從而實現高效、安全的閉環控制。

2.7 防止月壤騰起的設計

為了從根本上解決模擬月壤騰起問題，除了降低抽氣速度、在抽氣口和復壓口處設置遮擋措施之外，還在真空室內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導軌的支座上。支座中一個為固定支座，其余均可在圓形導軌上自由滑動。試驗開始前，將尼龍綢布繃緊固定在支座上，與容器內壁上安裝的尼龍布拖動機構連接，使月壤平臺完全被尼龍綢布所遮擋。當容器內的真空度達到試驗要求時，再利用電驅動機構將尼龍布拖至月壤平臺外側，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 結束語

月球著陸環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備，在真空環境中既建立了模擬月壤環境，還配備了三維著陸模擬系統以及完善的自動測控管理系統。該試驗裝置具有廣闊的應用前景，不僅可以用于當前月球著陸伽馬關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級月面著陸模擬試驗以及未來的火星著陸技術的研究。

若在該試驗裝置上增設低溫熱沉，除了真空和模擬月壤環境之外，還可以實現低溫甚至高低溫循環環境，為各種著陸技術的研究提供更加真實的試驗環境，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

[2]黃本誠, 馬有禮.航天器空間環境試驗技術[M].北京:國防工業出版社, 2002

[3]黃本誠.空間模擬器設計[M].北京:中國宇航出版社, 2009

[4]達道安, 李旺奎.空間真空技術[M].北京:中國宇航出版社, 2009

[5]鄒猛, 李建橋, 劉國敏, 等.模擬月壤地面力學性質試驗研究[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