模擬月球「造土」11年，天大助「力」嫦娥五號探月

2020-12-10 中國青年報

穩了！穩了！當嫦娥五號著陸器穩穩地降落在月球表面，順利展開太陽能帆板，天津大學機械工程學院空間力學團隊師生們的心也終於落了地。「嫦娥」飛月前，在模擬只有地球六分之一重力地面試驗場，團隊圓滿完成了20多種「嫦娥」在月球著陸的工況，以確保著陸器穩穩地踏上月球的土壤。與此同時，空間力學團隊在羽流與月壤相互作用、模擬月貌區、穩定性試驗面、「嫦娥」再返地球大氣層的穩定性和姿態等方面的研究成果，也都為此次嫦娥五號任務的圓滿完成保駕護航。

空間力學團隊徐家福高級工程師（左一）與屈川工程師（右一）測試著陸器試驗面的各種物理力學性質

實驗室模擬月球造土11年

此次探月工程嫦娥五號探測器的主要任務是去月球採樣返回，也就是人們通常說的「挖土」。事實上，早在2009年，天津大學空間力學團隊崔玉紅教授和王建山教授就開始在實驗室裡「造土」——尋找各種合適的材料，儘量符合月球表面土壤的各參數，部分成果最先應用於嫦娥三號。此次嫦娥五號降落在呂姆克山，同嫦娥三號和嫦娥四號地點不同，並且著陸器的重量不同和任務不同，在月貌試驗場內，空間力學團隊根據不同參數順利完成了20多種不同的月貌模擬試驗，特別是模擬出月坡、月坑、月石等多種組合和極端工況。

空間力學團隊徐家福高級工程師（右四）與團隊成員測試著陸器各種試驗面的材料參數

模擬月貌打好了「地基」，要想讓「嫦娥」五號穩穩落月，並確保所搭載的各種敏感設備不受「內傷」，空間力學團隊圓滿完成了著陸器穩定性試驗面和著陸衝擊試驗面的研製：模擬出只有地球六分之一的重力環境，滿足著陸器著陸時四條「腿」的三級緩衝裝置的受力和變形的著陸衝擊試驗。同時，針對「嫦娥」落地時，也全面模擬了可能會碰著石頭、遇到斜坡等各種極端工況，確保「嫦娥」無論遇到什麼著陸情況，「腿」都不會受傷，穩穩落月，並保障搭載的敏感設備正常工作。

同時，在著陸器接近月表時，發動機噴出的高速、高溫與高密度氣體迅速向月表外部真空環境膨脹、擴散，形成羽毛狀流場，即羽流。羽流衝擊到月球土壤表面，導致月壤顆粒的四處飛揚，並在月球表面形成月坑。月坑對著陸器的著陸穩定性帶來不利影響，飛揚的月壤顆粒也會影響著陸能見度和視野，甚至這些顆粒粘附在著陸器設備表層，覆蓋在光學儀器表面，使得它們無法開展正常工作。空間力學團隊針對月壤顆粒被揚起的臨界質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、月壤顆粒的擴散問題和月壤顆粒與發動機羽流雙向耦合問題等，提出了原創的研究方法，該研究方法的成果為嫦娥五號著陸器穩定著陸保駕護航。

讓「嫦娥」帶著月壤順利返回

我國探月工程重大科技專項分為「繞、落、回」三步走，嫦娥五號將要完成的正是這最後一步的「回」，並且是帶著月壤樣品回到地球。返回器在進入地球大氣層時的穩定性和姿態分析，也是空間力學團隊的重要研究內容之一。通過數值模擬與試驗數據比對，團隊提供了不同的工況助力返回器以「最舒服」的姿態安全進入大氣層。

天津大學空間力學團隊崔玉紅教授和王建山教授近十年一直參與國家重大科技專項「探月工程」和「火星探測」計劃等項目，其研究方法和研究成果已應用於嫦娥三號、四號和五號著陸器，也將應用在未來的嫦娥系列著陸器上，為我國探月工程提供重要研究方法和關鍵參考數據。

來源：天津大學

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