從2019年1月3日著陸月球到1月11日和“玉兔二號(hào)”實(shí)現(xiàn)兩器互拍，我國(guó)“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器圓滿完成此次登月任務(wù)。作為世界首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，“嫦娥四號(hào)”此次著陸堪稱是“盲降”。對(duì)于人類完全陌生的月球背面，風(fēng)大不大？地平不平？土壤松軟不松軟？未來(lái)的“嫦娥五號(hào)”以什么樣的姿勢(shì)返回人間更安全、優(yōu)雅？這些都是科研人員需要對(duì)“嫦娥”悉心關(guān)照的細(xì)節(jié)。

　　天津大學(xué)教授崔玉紅和王建山的空間力學(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，以及“嫦娥”著陸器姿態(tài)及穩(wěn)定性分析和著陸面力學(xué)環(huán)境地面試驗(yàn)等方面做了大量工作，陸續(xù)協(xié)助“嫦娥三號(hào)”及“嫦娥四號(hào)”順利登月。大量成果也將應(yīng)用在預(yù)計(jì)2019年年底發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”以及2020年前后實(shí)施的火星探測(cè)計(jì)劃中。

　　月球真空環(huán)境下，高速高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流向外部真空環(huán)境膨脹、擴(kuò)散，形成羽毛狀流場(chǎng) ，稱為“羽流”。羽流能引起月塵大面積擴(kuò)散和離子污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響著陸器的安全著陸。“嫦娥”在月球環(huán)境著陸中，羽流和月塵之間的作用如何真實(shí)再現(xiàn)？

　　天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種考慮月壤顆粒被羽流破壞揚(yáng)起以及真空環(huán)境下月壤顆粒之間碰撞、擴(kuò)散及雙向能量耦合的新計(jì)算方法，揭示了羽流和月塵之間相互作用的力學(xué)規(guī)律。這種方法不僅適用于連續(xù)區(qū)域，也適用于非連續(xù)區(qū)域的月壤顆粒計(jì)算，較為準(zhǔn)確地模擬了羽流與月壤顆粒相互作用的過(guò)程。

　　由于問(wèn)題的復(fù)雜性及計(jì)算條件、方法的限制，相關(guān)的計(jì)算問(wèn)題，上個(gè)世紀(jì)60年代美國(guó)阿波羅登月時(shí)被提出來(lái)，一直沒(méi)有被明確地解決。直到上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始有學(xué)者陸續(xù)提出了一些計(jì)算方法，但都存在一定的局限性。天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)首次采用該流固耦合的方法分析真空環(huán)境中月壤顆粒的運(yùn)動(dòng)，所得數(shù)值計(jì)算結(jié)果與美國(guó)阿波羅11號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

　　但是，月球上的土壤是什么樣的？這在很大程度上決定了“嫦娥”采用何種方式在月球安全著陸。在登月前，用什么材料才能模擬出最“真實(shí)”的月壤？

　　空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值分析選定了可以模擬月球土壤的試驗(yàn)材料。團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，確定可用于模擬月壤材料的試驗(yàn)備選材料，采用大變形幾何關(guān)系，考慮彈性和塑性變形，及有摩擦接觸等因素，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，模擬在著陸腿底部沖擊力作用下各種備選材料在著陸過(guò)程中的受力和變形。分析各種備選材料的受力和變形特征，根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，優(yōu)化選定可以模擬月壤的適用材料。

　　最后，團(tuán)隊(duì)研制了懸停避障緩速下降試驗(yàn)用月面，根據(jù)月面對(duì)微波和激光以及光學(xué)敏感器的反射特性要求，模擬月面多種地形，包括石塊、凹坑、坡度等，研制并完成模擬月貌區(qū)的試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真。

　　與此同時(shí)，空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)也對(duì)“嫦娥”著陸面力學(xué)環(huán)境地面進(jìn)行多次著陸沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了單機(jī)加速度力學(xué)條件的正確性；試驗(yàn)后太陽(yáng)翼、定向天線、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)等展開(kāi)性能正常；OSR（戶外、生存、求救）、電池片檢驗(yàn)沒(méi)有破損；推進(jìn)系統(tǒng)、熱管等漏率指標(biāo)滿足要求完成了著陸沖擊試驗(yàn)中著陸床地面研制等。

　　針對(duì)落地時(shí)“嫦娥”的著陸腿底部選用什么材料才更穩(wěn)定的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基于地面仿真試驗(yàn)的要求，模擬六分之一地球重力的邊界條件，通過(guò)科學(xué)的力學(xué)分析為“嫦娥”選定一雙最舒適的“鞋”提供重要參考。

　　根據(jù)中國(guó)探月工程“繞”“落”“回”的計(jì)劃，或?qū)⒂?019年發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”將完成月面取樣返回任務(wù)。“嫦娥”以什么姿態(tài)返回地球最為安全和優(yōu)雅？

　　空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)在“著陸器姿態(tài)及穩(wěn)定性分析”中，完成了登月著陸器返回地球大氣層后的姿態(tài)及穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了各導(dǎo)航敏感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。對(duì)登月著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管返回地球大氣層后的各種姿態(tài)進(jìn)行了二維和三維建模和數(shù)值仿真，并且模擬計(jì)算了登月著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度工況下的推力、比沖等特性參數(shù)，與熱空間力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，為登月著陸器返回地球大氣層后的姿態(tài)及穩(wěn)定性提供參考數(shù)據(jù)。這一研究將用于“嫦娥五號(hào)”和未來(lái)“嫦娥六號(hào)”的研制。

　　不久前，我國(guó)公布首次火星探測(cè)任務(wù)將于2020年前后實(shí)施。天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)目前正承擔(dān)著模擬火星土壤等的部分工作，為2020年火星探測(cè)任務(wù)助力。

《電鰻快報(bào)》