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天津大学空间力学团队“造土”助“力”嫦娥月球“挖土”
2020-12-03 10:51:00
天津大学

  稳了!稳了!当嫦娥五号着陆器稳稳地降落在月球表面,顺利展开太阳能帆板,天津大学机械工程学院空间力学团队师生们的心也终于落了地。“嫦娥”飞月前,在模拟只有地球六分之一重力地面试验场,团队圆满完成了20多种“嫦娥”在月球着陆的工况,以确保着陆器稳稳地踏上月球的土壤。与此同时,空间力学团队在羽流与月壤相互作用、模拟月貌区、稳定性试验面、“嫦娥”再返地球大气层的稳定性和姿态等方面的研究成果,也都为此次嫦娥五号任务的圆满完成保驾护航。

  此次探月工程嫦娥五号探测器的主要任务是去月球采样返回,也就是人们通常说的“挖土”。事实上,早在2009年,天津大学空间力学团队崔玉红教授和王建山教授就开始在实验室里“造土”——寻找各种合适的材料,尽量符合月球表面土壤的各参数,部分成果最先应用于嫦娥三号。此次嫦娥五号降落在吕姆克山,同嫦娥三号和嫦娥四号地点不同,并且着陆器的重量不同和任务不同,在月貌试验场内,空间力学团队根据不同参数顺利完成了20多种不同的月貌模拟试验,特别是模拟出月坡、月坑、月石等多种组合和极端工况。

空间力学团队徐家福高级工程师(左一)与屈川工程师(右一)测试着陆器试验面的各种物理力学性质

  模拟月貌打好了“地基”,要想让“嫦娥”五号稳稳落月,并确保所搭载的各种敏感设备不受“内伤”,空间力学团队圆满完成了着陆器稳定性试验面和着陆冲击试验面的研制:模拟出只有地球六分之一的受力环境,满足着陆器着陆时四条“腿”的三级缓冲装置的受力和变形的着陆冲击试验。同时,针对“嫦娥”落地时,也全面模拟了可能会碰着石头、遇到斜坡等各种极端工况,确保“嫦娥”无论遇到什么着陆情况,“腿”都不会受伤,稳稳落月,并保障搭载的敏感设备正常工作。

  同时,在着陆器接近月表时,发动机喷出的高速、高温与高密度气体迅速向月表外部真空环境膨胀、扩散,形成羽毛状流场,即羽流。羽流冲击到月球土壤表面,导致月壤颗粒的四处飞扬,并在月球表面形成月坑。月坑对着陆器的着陆稳定性带来不利影响,飞扬的月壤颗粒也会影响着陆能见度和视野,甚至这些颗粒粘附在着陆器设备表层,覆盖在光学仪器表面,使得它们无法开展正常工作。空间力学团队针对月壤颗粒被扬起的临界质量和月表形成月坑的尺寸、月壤颗粒受力影响因素、月壤颗粒相互碰撞问题、月壤颗粒的扩散问题和月壤颗粒与发动机羽流双向耦合问题等,提出了原创的研究方法,该研究方法的成果为嫦娥五号着陆器稳定着陆保驾护航。

空间力学团队徐家福高级工程师(右四)与团队成员测试着陆器各种试验面的材料参数

  我国探月工程重大科技专项分为“绕、落、回”三步走,嫦娥五号将要完成的正是这最后一步的“回”,并且是带着月壤样品回到地球。返回器在进入地球大气层时的稳定性和姿态分析,也是空间力学团队的重要研究内容之一。通过数值模拟与试验数据比对,团队提供了不同的工况助力返回器以“最舒服”的姿态安全进入大气层。

  天津大学空间力学团队崔玉红教授和王建山教授近十年一直参与国家重大科技专项“探月工程”和“火星探测”计划等项目,其研究方法和研究成果已应用于嫦娥三号、四号和五号着陆器,也将应用在未来的嫦娥系列着陆器上,为我国探月工程提供重要研究方法和关键参考数据。

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