“嫦娥”该如何优雅地返回地球

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　　“嫦娥”该如何优雅地返回地球

　　从2019年1月3日着陆月球到1月11日和“玉兔二号”实现两器互拍，我国“嫦娥四号”探测器圆满完成此次登月任务。作为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，“嫦娥四号”此次着陆堪称是“盲降”。

　　对于人类完全陌生的月球背面，风大不大？地平不平？土壤松软不松软？未来的“嫦娥五号”以什么样的姿势返回人间更安全、优雅？这些都是科研人员需要对“嫦娥”悉心关照的细节。

　　天津大学教授崔玉红和王建山的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，以及“嫦娥”着陆器姿态及稳定性分析和着陆面力学环境地面试验等方面做了大量工作，陆续协助“嫦娥三号”及“嫦娥四号”顺利登月。大量成果也将应用在预计2019年年底发射的“嫦娥五号”以及2020年前后实施的火星探测计划中。  

　　月球真空环境下，高速高温的发动机喷流向外部真空环境膨胀、扩散，形成羽毛状流场 ，称为“羽流”。羽流能引起月尘大面积扩散和离子污染，严重时会影响着陆器的安全着陆。“嫦娥”在月球环境着陆中，羽流和月尘之间的作用如何真实再现？

　　天津大学空间力学团队提出了一种考虑月壤颗粒被羽流破坏扬起以及真空环境下月壤颗粒之间碰撞、扩散及双向能量耦合的新计算方法，揭示了羽流和月尘之间相互作用的力学规律。这种方法不仅适用于连续区域，也适用于非连续区域的月壤颗粒计算，较为准确地模拟了羽流与月壤颗粒相互作用的过程。

　　由于问题的复杂性及计算条件、方法的限制，相关的计算问题，上个世纪60年代美国阿波罗登月时被提出来，一直没有被明确地解决。直到上个世纪80年代开始有学者陆续提出了一些计算方法，但都存在一定的局限性。天津大学空间力学团队首次采用该流固耦合的方法分析真空环境中月壤颗粒的运动，所得数值计算结果与美国阿波罗11号实测数据基本吻合。

　　但是，月球上的土壤是什么样的？这在很大程度上决定了“嫦娥”采用何种方式在月球安全着陆。在登月前，用什么材料才能模拟出最“真实”的月壤？

　　空间力学团队通过数值分析选定了可以模拟月球土壤的试验材料。团队通过大量实验，确定可用于模拟月壤材料的试验备选材料，采用大变形几何关系，考虑弹性和塑性变形，及有摩擦接触等因素，通过数值计算，模拟在着陆腿底部冲击力作用下各种备选材料在着陆过程中的受力和变形。分析各种备选材料的受力和变形特征，根据试验技术要求，优化选定可以模拟月壤的适用材料。

　　最后，团队研制了悬停避障缓速下降试验用月面，根据月面对微波和激光以及光学敏感器的反射特性要求，模拟月面多种地形，包括石块、凹坑、坡度等，研制并完成模拟月貌区的试验研究和数值仿真。

　　与此同时，空间力学团队也对“嫦娥”着陆面力学环境地面进行多次着陆冲击试验，验证了单机加速度力学条件的正确性；试验后太阳翼、定向天线、转移机构等展开性能正常；OSR（户外、生存、求救）、池片检验没有破损；推进系统、热管等漏率指标满足要求完成了着陆冲击试验中着陆床地面研制等。

　　针对落地时“嫦娥”的着陆腿底部选用什么材料才更稳定的问题，团队基于地面仿真试验的要求，模拟六分之一地球重力的边界条件，通过科学的力学分析为“嫦娥”选定一双最舒适的“鞋”提供重要参考。

　　根据中国探月工程“绕”“落”“回”的计划，或将于2019年发射的“嫦娥五号”将完成月面取样返回任务。“嫦娥”以什么姿态返回地球最为安全和优雅？

　　空间力学团队在“着陆器姿态及稳定性分析”中，完成了登月着陆器返回地球大气层后的姿态及稳定性分析，验证了各导航敏感器的静态和动态性能。对登月着陆器发动机喷管返回地球大气层后的各种姿态进行了二维和三维建模和数值仿真，并且模拟计算了登月着陆器发动机在不同高度工况下的推力、比冲等特性参数，与热空间力计算结果进行了比较，为登月着陆器返回地球大气层后的姿态及稳定性提供参考数据。这一研究将用于“嫦娥五号”和未来“嫦娥六号”的研制。

　　不久前，我国公布首次火星探测任务将于2020年前后实施。天津大学空间力学团队目前正承担着模拟火星土壤等的部分工作，为2020年火星探测任务助力。

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