「航天知识:空间探测器」月球探测器

「航天知识:空间探测器」月球探测器插图

月球探测器简介

月球探测器(lunar probe),即对地球的天然卫星——月球进行探测的无人航天器。

月球探测器采用飞越月球、击中月球(在月球上硬着陆)、在月球上软着陆、环绕月球、对月球土壤进行取样分析或对月球土壤取样返回地球等多种方式探测月球。

20世纪50年代末至今,美国、苏联/俄罗斯、日本、欧洲航天局、中国和印度先后进行了月球探测,90年代以来兴起了新一轮的热潮,关注重点是月球上水冰的存在。我国发射的“嫦娥一号”月球探测器如图所示。

飞行轨道类型

(1)飞越月球轨道

探测器从地球表面或地球附近轨道发射,沿抛物线或双曲线越过月球的轨道,然后飞向太阳系,成为人造行星,如“先驱者4号”、“徘徊者3号”、 “徘徊者5号”、“月球6号”、“探测器3号”。

(2)绕月飞行轨道

探测器从地面或近地卫星轨道起飞,沿椭圆轨道绕过月球返回到地球附近的轨道,如前苏联的“月球3号”、日本的“飞天号”。

(3)击中月球轨道

探测器从地球表面或地球附近轨道发射,沿椭网、抛物线、双曲线直接击中月球的轨道如“月球2号”、“徘徊者7号”、“徘徊者8号”、“徘徊者9号”。

(4)月球卫星轨道

「航天知识:空间探测器」月球探测器插图1

“嫦娥一号”月球探测器

「航天知识:空间探测器」月球探测器插图2

月球探测器典型的飞行过程示意图

探测器从地球表面或附近轨道发射,经轨道中途修正、调姿,进入月球引力场作用范围,再经制动火箭点火和速度修正,被月球引力场捕获,环绕月球运动的轨道,如“月球”10、11、12、19、22号,“月球轨道器”1、2、3、4、5号,“探险者”35、39号,“克莱门汀1号”。典型的月球探测器飞行轨道路径如上图所示。

(5)月球软着月轨道

探测器从接近月球轨道上或从月球卫星轨道上经过机动飞行,利用反推火箭在下降过程中减速,实现在月球上软着月的轨道,如“月球”9、13号以及带有月球车的17、21号,“勘测者”1、3、5、6、7号。

(6)月球-地球轨道

月球探测器在月面上完成摄影的采样等任务后返回地球的轨道,如“探测器”5、6、7、8号,“月球” 16、20、24号。

飞行轨道设计限制条件

理论上,利用停泊轨道,航天器可以从某年某月某天的任何时间以及任意飞行时间从发射场飞向月球。然而,实际上对选择这些不同的参数有严格的限制,主要限制条件如下。

(1)飞行时间选择

影响飞行时间的主要因素是飞行的最后阶段和月球着陆的地球测控站要求。以“徘徊者”探测器为例,选择飞行时间42小时、66小时和90小时并作分析比较。首先去掉42小时方案,因为它要求过大的入轨速度和反推速度,这样将大大减小飞行任务的有效载荷能力。降落月面不仅要尽可能垂直,而且着陆位置要靠近地-月线交点。飞行时间66小时的轨道优于90小时的轨道,能量要求虽稍有增加,但差别不大,与341kg的“徘徊者”重量差距约11.4kg。而前者对误差的精度要求小于后者,同时较少的中途修正燃料要求亦稍为减少了这种差别。于是“徘徊者”飞行任务选择66小时的飞行轨道,实际飞行时间在63~71小时之间。

(2)发射日期选择

发射日期的选择分为两部分:月份选择;某月某日选择。选择由工程计划管理决定,某月某日的选择由可利用的限制条件控制,包括:①姿态控制系统;②垂直(或接近垂直)下降要求:③探测器在光照月球上下降的要求。姿态控制系统影响发射计划是由于探测器通过敏感太阳(沿滚动轴)和地球实现空间稳定。沿探测器-太阳和探测器-月球方向的两个矢量构成半空间稳定面。限制条件出现是因为角(称为地球-探测器-太阳角)对着这两个矢量之间的探测器必须位于45°~135°之间。地球敏感器视场特性决定这个角的限制;第二个限制条件,垂直或接近垂直着陆由遥感器的摄影特性决定,保证探测器在最后下降期间提供合适的成套图像;第三个限制条件,降落在光照月球上,仍由遥感器决定,入射在月球上比较精确的光照角(太阳-月球-探测器角)在30°~60°之间。这个限制条件,在第一和第三季度选择的发射日期保持4~6天,取决于选择的月份。

(3)发射时间选择

发射时间窗口的选择主要由区域安全容许的发射方位角决定。而且要考虑由跟踪和遥测直接覆盖限制引起发射方位角的限制。因为停泊轨道型上升轨道的性质,第二次点火和入轨位置范围很大,引起跟踪和遥测的困难。如果不考虑上述限制,发射窗口从50分钟到3小时都是可能的。

(4)在月球上着陆位置的选择

着陆位置基本上由垂直下降和光照限制的要求确定。天线方向图中最大的天线增益出现在沿月球垂直方向。因此,理想的着陆位置是在月面和地球-月球连线的交叉点。然而,上述着陆位置违背了遥感器的垂直限制。所以,信号强度要损失,但对应于着陆位置的月心角(从地球-月球连线起算)不大于45°,信号强度损失较小。

(5)反向速度增量选择

由着陆舱引起的进一步限制是反向速度增量。这个限制是特殊的,由固定冲量的固体反推火箭产生。这个限制亦影响了飞行时间和入轨能量,在这些量中反向速度起决定作用,这样在任何发射日子保持相对固定,但每天都有微小变化补偿月球位置的变化。实际上,必须选择反向速度,以便为发射期间所有发射日子提供地球测控站能见度限制的飞行时间。

构型设计的特点

① 已经实现的飞行任务主要有四个方面:月球周围和月球环境探测;在月球卫星轨道上的月面上摄影观测;月球土壤化学分析和土壤、岩石取样;在月面上放置月球车完成各项试验。

② 月球探测器的有效载荷比当时的卫星技术复杂得多,是在卫星技术基础上发展起来的新一代航天器。

③ 飞行方式是考虑月球探测器构型设计的关键因素。月球探测器的飞行探测模式主要是惯性定向控制模式,指向恒星。飞行过程中需要有中途制导,以保证位置矢量、速度矢量和飞行时间的精度。

④ 技术上尚未采用模块化设计。

⑤ 构型选取多样化,没有统一的模式。

⑥ 为了保证月球探测器安全可靠地工作,采用了过大的冗余设计。

「航天知识:空间探测器」月球探测器插图3

月球1号、月球2号和月球3号的构型图

1—磁强计;2—离子腔;3—微流星探测装置;4—天线;5—太阳传感器;6—摄像机帘口;7—太阳电池;8—定向系统的压缩气体喷嘴

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