董宜煊，張 磊，曾 立，孟立飛

（1.北京信息科技大學(xué) 高端信息產(chǎn)業(yè)研究院，北京 100196；2.中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094;3.北京航空航天大學(xué)空間與環(huán)境學(xué)院，北京 100191；4.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

我國第一個自主研制的火星探測器——“天問一號”于北京時間2020年7月23日由長征五號火箭在中國文昌航天發(fā)射基地順利發(fā)射升空，預(yù)示我國成功邁出了行星探測的第一步，我國就此成為成功向火星發(fā)射探測器的國家之一。

自1960年前蘇聯(lián)發(fā)射第一枚火星探測器，人類便競相開始了對火星的探測，已有40余枚航天器到達過火星。火星是離太陽第四近的行星，是太陽系中最近似于地球的天體之一[1]。自轉(zhuǎn)周期為24小時37分，公轉(zhuǎn)周期約為2個地球年，為687天，因此火星有類似地球的四季交替與晝夜變化[2]。通過探索火星，研究火星的空間環(huán)境、磁場、氣候、地貌等，并掌握其規(guī)律，有助于人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，探尋和開發(fā)空間資源[3～7]。

但受限于運載火箭的能力，每隔大約26個月，地球與火星會運行至最近的位置，此時可以用最短的時間、最近的路程以及最少的能量消耗從地球到達火星，被稱為火星探測器發(fā)射的窗口期[8]。2020年即是火星探測器發(fā)射非常有利的時期。美國國家航空航天局（NASA）的“毅力號”（Mars2020任務(wù)）于北京時間2020年7月30日由宇宙神運載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射成功，按計劃于2021年2月登陸火星表面，“毅力號”火星車將首次采集火星巖石樣本返回地球[9]。阿聯(lián)酋的“希望號”火星探測器于北京時間2020年7月20日由日本火箭在日本種子島成功點火升空，該任務(wù)是阿拉伯世界的首次星際探索。此項任務(wù)即將探測火星大氣層的數(shù)據(jù)，同時也能極大地促進阿聯(lián)酋的工業(yè)和科學(xué)能力[10]。

“天問一號”目前已被火星捕獲，其主要科學(xué)任務(wù)目標(biāo)是探測火星環(huán)境，尋找火星上現(xiàn)在及過去生命存在的證據(jù)[11]，為此，“天問一號”發(fā)射了一個火星環(huán)繞器和一個火星表面著陸器來實現(xiàn)聯(lián)合探測。火星表面著陸器搭載的火星氣象站（Mars Climate Station，MCS）探索火星的氣候和環(huán)境特征，同時測量大氣，溫度，壓力，風(fēng)場和火星表面的聲音[12]。磁場也是“天問一號”火星氣象環(huán)境探測任務(wù)中的一個重要測量要素。

與地球不同，1993年火星全球勘測者計劃（Mars Global Surveyor，MGS）開展的磁場測量試驗已證實火星沒有全球磁場[13]，因此火星沒有發(fā)電機效應(yīng)，太陽風(fēng)將凍結(jié)的行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field，IMF)拖拽到火星周圍形成圍繞火星的磁層[14]。經(jīng)過兩個火星年以上的測繪工作，基于火星地殼中的剩磁，火星全球勘測者（MGS）首度繪制了火星全球磁場圖[15]。美國國家航空航天局（NASA）的火星大氣與揮發(fā)物演化(MAVEN)航天器攜帶了由兩個獨立的三軸磁通門磁強計傳感器組成的磁場測量儀，以每秒32個矢量樣本的固有采樣率對火星環(huán)境磁場進行采樣，其觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成對火星磁場及其歷史演化的重要研究基礎(chǔ)[7]。

在“天問一號”任務(wù)執(zhí)行期間，環(huán)繞器將反復(fù)越過火星磁層邊界，搭載的火星軌道磁力儀（Mars Orbiter Magnetometer，MOMAG）通過測量接近火星空間不同區(qū)域的磁場特性來系統(tǒng)研究火星整體磁場[11]。同時火星著陸器還搭載火星表面磁場探測儀（Mars Rover Magnetometer，RoMAG）在火星表面進行連續(xù)的高精度矢量測量，主要完成以下三個功能：

1）探測巡視區(qū)火星磁場，確定磁場指數(shù)。

2）與環(huán)繞器配合，探測火星空間磁場，研究火星電離層電子濃度、電導(dǎo)率等特性，并進一步反演出火星電離層的發(fā)電機電流等。

3）通過探測火星表面磁場躍變，來推演火星內(nèi)部的局部及整體結(jié)構(gòu)，并研究火星深部導(dǎo)電率、圈層厚度、溫度等特征。

作為安裝在“天問一號”著陸器上的電子產(chǎn)品，與火星軌道磁力儀（MOMAG）相比，火星表面磁場探測儀（RoMAG）不僅要承受運輸、發(fā)射、上升以及在軌運行各個階段的震動環(huán)境，還要承受火星著陸器的進入、減速和著陸過程[16]，力學(xué)條件十分惡劣?；鹦侵懫髟谶M入大氣層之后，首先通過著陸艙的氣動外形在有牽引力或無牽引力的狀態(tài)下減速（通常高度為距火星地面125km，速度約為5.6km/s），而后彈出降落傘（通常高度為距火星地面10km，速度約為470m/s），再度減速[17]，然后，在即將到達地面時，制動火箭發(fā)動機，利用反推力作用實現(xiàn)進一步的減速，最終通過著陸支架或打開氣囊的方式實現(xiàn)著陸緩沖，最后完成著陸器軟著陸[18]?！疤靻栆惶枴痹谶\輸、發(fā)射、上升、在軌運行各個階段以及在火星進入、減速和著陸過程中，由于飛行狀態(tài)和環(huán)境變化劇烈，強烈的震動會嚴(yán)重影響大多數(shù)元器件，如果不對系統(tǒng)進行力學(xué)設(shè)計，震動會導(dǎo)致元器件失效，進而引起整個設(shè)備失常。同時由于火星環(huán)境與我們熟知的地球環(huán)境截然不同，其環(huán)境參數(shù)具有極大的未知與不確定性，因此，通過力學(xué)設(shè)計來控制設(shè)備內(nèi)部元器件的固有頻率，使其在工作的環(huán)境條件下不低于規(guī)定的允許最低固有頻率顯得尤為重要。此外，由于火星探測任務(wù)風(fēng)險非常高，且資源有限，“天問一號”搭載的精密測量儀器有效載荷必須符合苛刻的規(guī)格。體積小、重量輕、低功耗、穩(wěn)定性高、高可靠性都是火星表面磁場探測儀（RoMAG）必須滿足的要求，這也同時為火星表面磁場探測儀（RoMAG）的力學(xué)設(shè)計提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

2 表面磁場探測儀整體布局及設(shè)計

天問一號著陸器火星表面磁場探測儀（RoMAG）包括兩個傳感器探頭用來采集磁場信號，以消除背景磁場的影響。兩個傳感器探頭分別安裝于桅桿頂端和桅桿底部。整個系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

2.1 傳感器探頭外部結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器探頭是磁場測量的前端部件，該部件的優(yōu)異性能是高精度磁場測量的基礎(chǔ)。傳感器探頭外形采用近圓柱體設(shè)計，外殼主要由上蓋、底座和印制板組成，外殼為整體一體化設(shè)計。傳感器底部用鈦釘固定于伸桿上，傳感器探頭整體設(shè)計考慮到其微振動測量的用途，采取小型化、輕量級設(shè)計，減小衛(wèi)星整體配重同時降低衛(wèi)星動力學(xué)設(shè)計難度。

圖2 傳感器探頭外形設(shè)計圖

傳感器外殼部分金屬材料的選取主要從強度、加工性能、重量以及結(jié)合以往成功型號的經(jīng)驗等諸因素考慮，采用鎂鋁合金，表面黑色陽極化處理。這種材料具有較高的熱傳導(dǎo)性能，且具有強度高、比重輕的特點。

為降低結(jié)構(gòu)在振動過程中的響應(yīng)，滿足力學(xué)環(huán)境及空間環(huán)境條件的要求，整機裝配前需進行固封，固封的部位包括印制板上大的插裝元器件、功率變壓器、機箱各處螺釘?shù)取?/p>

2.2 傳感器探頭功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

線圈為傳感器的功能主體，其主要由反饋線圈、感應(yīng)線圈、激勵線圈三部分構(gòu)成。這些線圈均為同心線圈組，由直徑小于1mm的漆包線多圈繞制而成。由于采用的線圈為無骨線圈，因此支撐骨架選用硬質(zhì)的航天級鋁合金材料。該材料熱膨脹系數(shù)與線圈接近，并具有硬度大、重量輕、便于加工等優(yōu)點。支撐骨架由兩個橫梁、四根橫柱、四根立柱三部分構(gòu)成組成。線圈采用航天級膠水粘合固定在骨架之上，骨架的立柱通過螺絲固定于外殼底板上。如圖3所示。

圖3 傳感器探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 有限元建模及仿真

本節(jié)以傳感器探頭為分析對象，利用Patran和Nastran軟件對傳感器探頭進行有限元建模、模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、加速度分析和隨機響應(yīng)分析，驗證傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以滿足型號在規(guī)定的工作條件下高可靠、長壽命的使用要求。

3.1 建立有限元模型

建立的實體模型如圖4所示。采用自動剖分與手工相結(jié)合的方式劃分有限元網(wǎng)格，建立的有限元模型如圖5所示。有限元模型相對設(shè)計圖紙進行了簡化，主要是忽略了結(jié)構(gòu)中小于Φ1mm孔的影響，建模按實體考慮。

圖4 傳感器探頭結(jié)構(gòu)模型

圖5 探頭有限元模型圖

3.2 材料性能參數(shù)

探頭結(jié)構(gòu)金屬材料采用鎂鋁合金MB8及鋁合金2A12，其典型的材料特性如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

3.3 模態(tài)分析

根據(jù)振動理論，結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)對振動的響應(yīng)可以忽略不計，重點考慮結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動的響應(yīng)。探測器采用底部3個孔與航天器伸桿固定連接，模態(tài)分析中將全部孔表面節(jié)點固定約束，分析得到模態(tài)頻率如表2所示。結(jié)構(gòu)阻尼值取0.03。由圖表可見，傳感器探頭基頻為2166.2Hz。

表2 前6階模態(tài)對應(yīng)頻率

圖6 一階模態(tài)（上：外表面，下：剖視）

3.4 頻率響應(yīng)

表面磁場探測儀的正弦試驗量級如表3所示。

表3 5Hz～100Hz正弦試驗量級

正弦Xz、Yz、Zz方向應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖如圖7～圖9所示。

圖7 Xz方向正弦應(yīng)力云圖

圖8 Yz方向正弦應(yīng)力云圖

圖9 Zz方向正弦應(yīng)力云圖

3.5 加速度分析

表4 加速度試驗量級

加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖如圖10～圖16所示。

圖10 縱向+10g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖11 縱向+16.5g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖12 縱向-30g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖13 縱向+30g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖14 縱向+26g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖15 縱向+22.5g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

圖16 橫向4g加速度應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)云圖（上：外表面，下：剖視）

3.6 隨機響應(yīng)

表面磁場探測儀的隨機試驗量級如表5所示。

表5 5Hz～100Hz隨機試驗量級

選取探頭中部節(jié)點繪制PSD響應(yīng)曲線。

圖17 Xz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點15812的PSD響應(yīng)曲線

圖18 Yz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點15812的PSD響應(yīng)曲線

圖19 Zz方向結(jié)構(gòu)中部節(jié)點15812的PSD響應(yīng)曲線

3.7 小結(jié)

通過MSC.Patran、MSC.Nastran軟件對探測器結(jié)構(gòu)進行了動力學(xué)仿真分析，得到結(jié)構(gòu)基頻為2166.2Hz。在鑒定級試驗條件下，仿真分析得到：X向各響應(yīng)點加載最大應(yīng)力值為5.77×104Pa；Y向各響應(yīng)點加載最大應(yīng)力值為4.85×104Pa；Z向加載各響應(yīng)點最大應(yīng)力值為9.04×104Pa。應(yīng)力均遠小于材料許應(yīng)力。隨機響應(yīng)加速度量級在10-4m/s2。

4 結(jié)語

本文針對我國首次火星探測任務(wù)中，火星著陸器將搭載表面磁場探測儀首次實現(xiàn)在地球以外的行星表面磁場觀測，設(shè)計了火星環(huán)境下表面磁場探測儀整體布局與結(jié)構(gòu)，重點闡述了火星磁場測量的前端部件——傳感器探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)設(shè)計，并對該設(shè)計進行了力學(xué)仿真驗證。該設(shè)計在保證表面磁場探測儀高精度磁場測量的基礎(chǔ)之上，考慮了表面磁場探測儀要承受運輸、發(fā)射、上升、在軌運行、火星環(huán)境下著陸以及巡航探測等各個階段的震動環(huán)境，最終通過仿真驗證了本文設(shè)計的有效性及可靠性，為火星乃至其他地外行星表面磁場探測的實現(xiàn)提供了有力的理論與技術(shù)支撐。