月球软着陆探测和月面自动巡视勘察是绕月探测的深入和发展。这种亲临其境的探测方式,在深度和精度上比卫星的遥感探测强得多,而两者数据又可互相补充、互相验证;与载人着陆相比,在技术难度、成本和风险上却要低得多。因此,当今和历史上,在行星探测中软着陆探测无论在科学探测深度上,还是在技术衔接中都占据了重要的地位。
根据中国月球探测的发展规划,将在绕月探测之后实施月球软着陆与自动巡视勘察。月球软着陆探测可以进行月球地形地貌研究、内部地质构造研究、矿物与资源分布研究以及月基天文观测等多项科学研究,同时可开展大量技术试验,获取丰硕的成果。
月球表面的软着陆探测,相对返回式航天器在地球表面的着陆有很大不同。月球的特征主要表现在以下几个方面——
(1)月球表面几乎没有大气层月表气压仅为10-14大气压,因此无法利用气动减速的方法着陆,需依靠探测器自身的推进系统来降低其相对月球的速度,保证最终的软着陆;对探测器的气动外形要求不严,不用考虑着陆过程中的大气扰动影响;要实施软着陆,必须把探测器相对月球的速度降到几米每秒的量级;这意味着,探测器需靠自身的推进分系统衰减近2千米/秒的速度,把探测器与月表的相对速度减至2~4米/秒,以保证不损坏探测器;这样的着陆过程,对GNC和推进分系统的设计提出了更高要求,如GNC的自主闭环导航与控制、发动机的多次启动能力、发动机的推力可调控等。
(2)月球的重力加速度是地球的1/6月球表面重力加速度为1.632米/秒2,月球重力场不均匀,存在质量集中的“质量瘤”现象;探测器着陆轨迹受重力场不均匀的影响,会导致落点偏差。着陆器以一定速度在月表着陆时,会对探测器产生一定的着陆冲击载荷,探测器需依靠自身的着陆缓冲阻尼系统吸收冲击能量,保证探测器正常工作。
(3)月球表面主要由高地、月海和撞击坑组成月面上直径大于1千米的撞击坑占月表面积的7%~10%,而且:
①高地和月海的高度最多可相差5千米。月海地区平均坡度约7°,地形最大坡度约39°。
②月表的承载能力对着陆器着陆和巡视器的设计有重要意义,决定着着陆冲击过程和稳定后的下陷深度。月表的平均承载能力为在1厘米2面积上作用1牛的力下陷约1厘米。
③月表撞击坑的直径与数量分布存在一定的统计规律。月面撞击坑的分布量和坑的直径近似成反比。每平方米内直径大于10厘米的撞击坑约20个,大于1米的约0.1个。对于撞击坑的典型轮廓,一般坑的深度不大于坑直径的25%,边缘高度不大于直径的6%。因此,撞击坑基本是较平缓的。
④月面分布着大小不一的石块。直径10厘米的石块,在每平方米月面分布小于1块;而1米左右的则只有0.01块。因此,月球表面不同于火星,不是多石块的地表。
⑤月壤平均厚度5~10米,平均密度1500~2500千克/米3,有效摩擦系数约为0.4~0.8,月壤结合力为0.02~0.2牛/米2。
(4)月球自转周期为27.3天月球上光照条件和昼夜温差变化都很大。要求探测器的能源和温控系统能在这样恶劣的状况下保证探测器的正常工作,尤其是要保证探测器在长达14个地球日的黑夜期间、最低温度可达-180℃条件下的电源与热控保障;探测器在月面的工作,和以往飞行的航天器所处的深冷背景空间不同,月面的热、辐射与反照等特性对探测器的工作有极大的影响。
(5)月球围绕地球公转与自转的周期相同因此,月球始终有一面朝向地球。这给通信带来了好处:如果地球上的测控通信站可满足间隔120°精度分布一个的要求,那么每天24小时均可以和月表的探测器通信。但月表工作期间大量科学探测数据的传输,着陆器的定位、月面巡视探测器的导航与定位需求等又对测控通信系统提出了新的要求。
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