實(shí)驗(yàn)室模擬月球造土11年 助力嫦娥五號(hào)帶月壤順利返回

穩(wěn)了!穩(wěn)了!當(dāng)嫦娥五號(hào)著陸器穩(wěn)穩(wěn)地降落在月球表面，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)師生們的心也終于落了地。

“嫦娥”飛月前，在模擬只有地球六分之一重力的地面試驗(yàn)場(chǎng)，團(tuán)隊(duì)圓滿完成了20多種“嫦娥”在月球著陸工況的模擬試驗(yàn)，以確保著陸器穩(wěn)穩(wěn)地踏上月球的土壤。

與此同時(shí)，空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)在羽流與月壤相互作用、模擬月貌區(qū)、穩(wěn)定性試驗(yàn)面、“嫦娥”再返地球大氣層的穩(wěn)定性和姿態(tài)等方面的研究成果，也都將為此次嫦娥五號(hào)任務(wù)的圓滿完成保駕護(hù)航。

實(shí)驗(yàn)室模擬月球造土11年

此次探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器的主要任務(wù)是去月球采樣返回，也就是人們通常說的“挖土”。早在2009年，天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)崔玉紅教授和王建山教授就開始在實(shí)驗(yàn)室里“造土”——尋找各種合適的材料，盡量符合月球表面土壤的各種參數(shù)，部分成果最先應(yīng)用于嫦娥三號(hào)。

此次嫦娥五號(hào)降落在呂姆克山，同嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)著陸地點(diǎn)不同，并且著陸器的重量不同、任務(wù)不同，在月貌試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)，空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同參數(shù)順利完成了20多種不同的月貌模擬試驗(yàn)，特別是模擬出月坡、月坑、月石等多種組合和極端工況。

模擬月貌打好了“地基”，為了讓嫦娥五號(hào)穩(wěn)穩(wěn)落月，并確保所搭載的各種敏感設(shè)備不受“內(nèi)傷”，空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)圓滿完成了著陸器穩(wěn)定性試驗(yàn)面和著陸沖擊試驗(yàn)面的研究，并全面模擬了可能會(huì)碰著石頭、遇到斜坡等各種極端工況，確保“嫦娥”無論遇到什么著陸情況，“腿”都不會(huì)受傷，穩(wěn)穩(wěn)落月，并保障搭載的敏感設(shè)備正常工作。

同時(shí)，在著陸器接近月表時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高速、高溫與高密度氣體迅速向月表外部真空環(huán)境膨脹、擴(kuò)散，形成羽毛狀流場(chǎng)，即羽流。羽流沖擊月球土壤表面，導(dǎo)致月壤顆粒四處飛揚(yáng)，并在月球表面形成月坑。

月坑會(huì)給著陸穩(wěn)定性帶來不利影響，飛揚(yáng)的月壤顆粒也會(huì)影響著陸能見度和視野，甚至這些顆粒黏附在著陸器設(shè)備表層，覆蓋在光學(xué)儀器表面，使得它們無法開展正常工作。

針對(duì)月壤顆粒被揚(yáng)起的臨界質(zhì)量和月表形成月坑的尺寸、月壤顆粒受力影響因素、月壤顆粒相互碰撞問題、月壤顆粒的擴(kuò)散問題和月壤顆粒與發(fā)動(dòng)機(jī)羽流雙向耦合問題等，團(tuán)隊(duì)提出了原創(chuàng)的研究方法，相關(guān)研究成果為嫦娥五號(hào)著陸器穩(wěn)定著陸保駕護(hù)航。

讓“嫦娥”帶月壤順利返回

我國(guó)探月工程重大科技專項(xiàng)分為“繞、落、回”三步走，嫦娥五號(hào)將要完成的正是這最后一步的“回”，并且是帶著月壤樣品回到地球。

返回器在進(jìn)入地球大氣層時(shí)的穩(wěn)定性和姿態(tài)分析，也是空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)的重要研究?jī)?nèi)容之一。通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，團(tuán)隊(duì)提供了不同的工況助力返回器以“最舒服”的姿態(tài)安全進(jìn)入大氣層。

崔玉紅和王建山近10年來一直參與國(guó)家重大科技專項(xiàng)“探月工程”和“火星探測(cè)”計(jì)劃等項(xiàng)目，其研究方法和研究成果已應(yīng)用于嫦娥三號(hào)、四號(hào)和五號(hào)著陸器，也將應(yīng)用在未來的“嫦娥”系列著陸器上，為我國(guó)探月工程提供重要研究方法和關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)。(陳 曦 劉曉艷)