陳燈意 伍 健 胡一鳴 常 進 宮一忠蔡明生 王煥玉 張家宇 崔興柱 汪錦州

(1中國科學院紫金山天文臺南京210008)

(2中國科學院暗物質與空間天文重點實驗室南京210008) (3中國科學院大學北京100049)

(4中國科學院高能物理研究所北京100049)

嫦娥三號APXS月夜生存裝置設計與驗證

陳燈意1,2,3?伍 健1,2胡一鳴1,2,3?常 進1,2宮一忠1,2蔡明生1,2王煥玉4張家宇4崔興柱4汪錦州4

(1中國科學院紫金山天文臺南京210008)

(2中國科學院暗物質與空間天文重點實驗室南京210008) (3中國科學院大學北京100049)

(4中國科學院高能物理研究所北京100049)

粒子激發(fā)X射線譜儀(APXS)是我國嫦娥三號任務巡視器上4個有效載荷之一,它通過攜帶的主動激發(fā)源激發(fā)月巖或月壤中的元素,并探測其產生的特征X射線,從而獲得月球元素的種類及含量信息.根據APXS所處的極端溫度環(huán)境,在有限的資源約束下,進行了月夜生存裝置RHU的設計分析并開展了相應的結構力學、月夜生存摸底試驗.最后,介紹了發(fā)射塔架RHU換裝的情況與在軌初步探測結果.

儀器：探測器,方法：解析,行星和衛(wèi)星：探測

1 引言

嫦娥工程是我國自主研發(fā)啟動的第1個探月工程,共分為“探”、“登”、“駐”3大步.嫦娥三號(CE-3)是嫦娥工程3部曲中第2步的重頭戲,通過發(fā)射月球軟著陸器/巡視器,降落到月表,釋放1個月球車.在嫦娥二號衛(wèi)星的繞月探測任務已有成果的基礎上(為γ射線譜儀,累計探測到9種月表元素[1]),對月球表面有開發(fā)利用和研究價值的元素的含量與分布進行更精確的探測,從而鑒別新的巖石類型,對月球的組成、月球地質歷史和撞擊歷史等進行深入研究(詳細參見網址http://zh.wikipedia.org/wiki/中國探月工程).

粒子激發(fā)X射線譜儀(APXS)是嫦娥三號巡視器上的4個科學載荷之一,也是機械臂上唯一的載荷.它通過攜帶的主動激發(fā)源激發(fā)月巖或月壤中的元素,并探測其產生的特征X射線,從而獲得月球元素的種類及含量信息,為月球地質化學過程和形成演化研究提供重要依據.

APXS由探頭、在軌標定裝置、月夜生存裝置RHU、電子學與軟件及電纜組成,系統(tǒng)結構如圖1(圖中SDD為Silicon Drift Detector縮寫,TH為Telemetry Head縮寫, CAN為Controller Area Network縮寫).

圖1 APXS探測器系統(tǒng)結構設計Fig.1 The framework of the APXS detector system

月球表面為準真空環(huán)境,沒有適度的大氣,因而月晝和月夜差別極大.根據設計,CE-3將首選著陸于虹灣地區(qū),位于月球北緯43?左右,月夜階段月表最低溫度接近–180?C,且周期長達14個地球日[2?3].為保障APXS探頭及前端電子學在長時間處于低溫工況的安全存儲,必須采用合適的溫控手段,我們設計了以放射性同位素238Pu作為燃料的同位素加熱單元作為核心的月夜生存裝置,來保證探頭在月夜低溫工況安全.

2 月夜生存裝置

2.1 設計約束

受運載發(fā)射資源限制,月夜生存裝置設計重量僅390 g,本體尺寸為70 mm×58 mm×85 mm.由于CE-3號任務需要經歷發(fā)射、軌道轉移、著陸、兩器分離及巡視探測等工況,需要考慮設備在相關過程中經歷的振動及力學環(huán)境,按照衛(wèi)星要求,設備需要完成加速度試驗、沖擊試驗、正弦振動與隨機振動等環(huán)境試驗.

由于該裝置的核心部分為放射性同位素238Pu,為保證操作人員的安全性,根據放射性輻射防護3原則:屏蔽、加大距離、減少時間,我們將設備設計成易拆裝的結構,保證操作過程中,操作人員接觸時間盡量短.

由于探頭不能與月夜生存裝置接觸,只能通過輻射方式對探頭實現加熱,而同位素加熱單元的熱功率只有4 W,因此,在設計上需要考慮如何將大部分熱量由面向探頭的加熱面輸出.

2.2 結構設計

根據以上設計約束,對月夜生存裝置進行了以下設計,詳見圖2所示,說明如下:

(1)紅色部分為RHU同位素加熱源,采用國際上廣泛使用的238Pu,原因是其半衰期為87.7 yr,比功率為0.55 W/g,衰變種類幾乎為100%的α衰變,是最為理想的天然放射性加熱源[4].APXS使用的RHU加熱源的外包絡尺寸直徑為φ40 mm,高為60 mm,總重量為180 g,RHU熱源的功耗為4 W,四周均有熱量散出;

圖2 月夜生存裝置示意圖Fig.2 The exploded view of the moon-night survival device

(2)最右端頂部為月夜生存裝置的加熱裝置,即加熱面.在月夜環(huán)境下,加熱面將與APXS探頭部分進行同心非接觸配合,對探頭進行輻射加熱;在內外套筒之間,將裝入鋁合金多層材料,起到隔熱作用,使RHU熱源4 W的熱量絕大部分從加熱面散出,減少不必要的損耗;

(3)綠色部分為非金屬融熱環(huán),材料為聚酰亞胺,在設計中主要作為隔熱材料使用,同時有一定機械承載要求;黃色部分則為內外套筒等結構件,材料為2A12鋁合金,主要起到承載作用,同時也能將RHU四周的熱量傳遞到頂部的散熱面;下部為月夜生存裝置的支架,并提供與巡視器之間的安裝接口.

(4)頂部加熱蓋采用3-M3螺紋設計,與內套筒采用M3防脫螺釘緊固;加熱蓋內側增加限位凸臺,方便安裝時的初步限位;外邊緣采用滾花設計,方便換裝時取下加熱蓋.

另一方面,RHU月夜生存保障裝置熱設計也采用兩種不同表面處理工藝設計:首先,RHU月夜生存裝置加熱面采用噴白漆工藝處理,其余部分則進行鍍金工藝處理.通過對加熱面噴白漆的工藝處理,可以極大提高其發(fā)射率,從而提高熱輻射效率;其他零件鍍金處理,則減少了月夜生存保障裝置對加熱面發(fā)出熱量的吸收.

設計完成后,月夜生存裝置外包絡尺寸70.10 mm×57.96 mm×85.10 mm(實測值),重量382 g(含RHU熱源),均滿足總體要求.

2.3 仿真分析

由于衛(wèi)星發(fā)射過程中需要經歷極其嚴苛與惡劣的加速度、振動等力學環(huán)境,對月夜生存裝置進行結構有限元分析具有重要參考意義[5].本文利用SolidWorks軟件建立月夜生存裝置的3維模型,再將其導入Ansys Workbench有限元分析軟件中,根據衛(wèi)星給定的環(huán)境試驗規(guī)范進行了模態(tài)與靜力學分析.有限元分析過程中,對月夜生存裝置的安裝面進行固定約束,靜力學分析時加載18g加速度載荷(同時考慮地球重力加速度g影響).模態(tài)分析結果如表1與圖3.

表1 月夜生存裝置模態(tài)分析結果Table 1 The modal analysis of the moon-night survival device

圖3 月夜生存裝置1階模態(tài)振型(基頻:220 Hz)Fig.3 The map of the first modal shape of the moon-night survival device(natural frequency:220 Hz)

(1)模態(tài)分析1階基頻為220 Hz、1階模態(tài)振型為垂直于巡視器安裝面的彎曲(圖中Z方向彎曲),滿足總體對月夜生存裝置一階基頻高于100 Hz的要求.

(2)靜力學分析過程中,月夜生存裝置的最大等效應力出現在Y方向(本坐標系僅在本分析中使用)的加載過程中,其最大等效應力為15.76 MPa,最大位移變化量為0.015 mm,分別如圖4與圖5所示.分析所用材料性質如表2,硬鋁材料2A12的屈服強度約為275 MPa,聚酰亞胺材料的極限抗拉強度為120 MPa,說明月夜生存裝置結構設計安全且有較大余量.

圖4 月夜生存裝置等效應力圖Fig.4 The equivalent stress of the moon-night survival device via FEM(Finite Element Method)

圖5 月夜生存裝置位移圖Fig.5 The displacement of the moon-night survival device via FEM

表2 分析主要采用的材料特性表Table 2 The properties of mainly materials used in FEM

圖6則為APXS處于月夜關機模式時(APXS與機械臂連接頭的開口端面靠近RHU的輻射端面,通過RHU的熱輻射來實現對APXS的加熱),選取RHU端面熱功耗3 W,月球環(huán)境溫度取–180?C時的熱分析的仿真結果截圖.

從圖中可以看到,利用端面熱輻射為4 W的RHU來給APXS加熱,能夠滿足APXS存儲溫度要求.

3 試驗驗證

3.1 環(huán)境試驗驗證

月夜生存裝置研制完成后進行了一系列的環(huán)境試驗考核,包括加速度試驗、正弦振動與隨機振動試驗等,本文重點講述了加速度試驗情況.

加速度試驗的目的是驗證組件承受主動段加速度環(huán)境的能力及適應月面著陸緩沖力學環(huán)境的能力.月夜生存裝置總共進行了兩項加速度試驗,分別是針對項目1主動段加速度考核與項目2探測器著陸緩沖力學環(huán)境考核.考核條件如表3(表中縱向即為著陸器+X方向,巡視器–Z方向,g為重力加速度,加載時間自達到最大后開始計算),試驗曲線如圖7.

圖6 月夜關機模式下APXS的熱仿真結果(左圖為RHU偏心20 mm，右圖RHU不偏心，RHU功耗設置為3 W)Fig.6Thermal simulation analysis results of APXS during moon-night(APXS is turned o ff,and the moon-night survival device power is set as 3 W.Left:above two instruments eccentricity is 20 mm; Right:concentric)

表3 加速度試驗條件Table 3 The conditions of acceleration test

月夜生存裝置完成加速度試驗后,也進行了正弦、隨機振動及沖擊試驗考核.包括加速度試驗在內的月夜生存裝置所有力學試驗均一次性通過,各項試驗完成后對其進行了外觀與螺釘檢查,試件完好,螺釘緊固狀態(tài)良好,說明月夜生存裝置能夠滿足衛(wèi)星力學環(huán)境的要求(詳見粒子激發(fā)X射線譜儀月夜生存裝置產品質量履歷書,文件號為CEY402-3-X CL16).

由于RHU使用238Pu放射源,具有一定的放射性,在衛(wèi)星正式發(fā)射上天前,采用的是模擬熱源對APXS的熱設計(低溫工況下使用RHU模擬熱源輻射供熱)做初步試驗驗證.試驗條件如下:當真空度和環(huán)境溫度達到要求后,模擬月夜低溫保持階段的試驗時間需大于336 h,模擬低太陽高度角低溫保持階段的試驗時間需大于144 h.APXS熱控件與RHU模擬熱源相對位置關系按照實際的APXS月夜存儲模式位置關系擺放.試驗結果如圖8,從圖中可以看到,月夜生存裝置開始加熱后(環(huán)境溫度–173?C),APXS升至穩(wěn)態(tài)–47?C,說明月夜生存裝置能夠實現對APXS的有效加熱.

3.2 RHU發(fā)射塔架換裝

發(fā)射區(qū)塔架為54.5 m平臺,安裝RHU熱源及加熱頂蓋操作前,月夜生存裝置安裝在巡視器艙外,套有紅色防塵袋;周圍安裝有機械手臂、APXS探頭、在軌定標裝置等設備.因此,工藝人員編制了如圖9所示的換裝工藝流程圖,操作人員按照該流程多次在模擬平臺上進行了演練.

RHU熱源正式換裝之前,操作人員提前在發(fā)射場某廠房拆除了RHU熱源模擬工藝件,套上紅色防塵袋.2013年11月20日,相關操作人員登上發(fā)射區(qū)平臺,按流程順利進行了RHU的安裝與復核,整個過程用時僅5 min,且進行了拍照記錄,驗證了防脫螺釘換裝結構設計的有效性,減少了操作人員的輻射曝光時間,保證了他們的安全.

圖7 月夜生存裝置項目1(上)與項目2(下)的試驗曲線Fig.7 The acceleration test curve of moon-night survival device(Top:item 1;Bottom:item 2)

圖8 月夜生存摸底試驗溫度變化情況Fig.8 The thermal test results for APXS with the moon-night survival device

圖9 RHU發(fā)射區(qū)換裝工藝流程Fig.9 The procedure of RHU installation in launching site

3.3 APXS在軌工作情況

CE-3成功發(fā)射入軌后，APXS在軌工作情況簡介如下:

(1)2013年12月23日,高分辨元素探測譜儀完成了首次在軌標定工作,整個標定過程中探測譜儀工作正常,遙測參數正常,性能指標滿足任務要求,成功獲取了在軌標定能譜;

(2)2013年12月25日,高分辨元素探測譜儀分別完成了2個探測點的測試工作,整個測試過程中探測譜儀工作正常,距離感知可以成功觸發(fā),遙測參數正常,性能指標滿足任務要求,成功獲取了月表元素的在軌探測能譜;

(3)2014年1月12日,高分辨元素探測譜儀在度過1個極低溫度月夜后,成功加電,完成第2次在軌標定工作,整個工作過程中遙測參數正常,成功獲取標定能譜,能譜分辨率、能量線性均無明顯變化,在軌測試能譜如圖10;

(4)2014年1月14日,高分辨元素探測譜儀完成月面車轍的探測工作,測試過程中APXS工作正常,距離感知可以成功觸發(fā),遙測及在軌能譜均正常.

圖10 CE-3 APXS譜儀在軌測試能譜Fig.10 The energy spectrum of the APXS detector of CE-3 on orbit

4 結論

本文根據APXS月夜生存裝置設計約束完成了月夜生存裝置的設計,經仿真分析、相關環(huán)境試驗以及發(fā)射廠區(qū)換裝操作,證明APXS月夜生存裝置滿足設計要求.APXS在第2月晝成功加電,完成標定及探測任務,表明月夜生存裝置設計上能夠實現對探頭的有效加熱.該設備成功保證了APXS探頭在極低溫度環(huán)境下的安全.

致謝本文相關工作得到中國科學院紫金山天文臺與高能物理研究所眾多老師與同事的幫助,在此一并表示感謝.

[1]馬濤,常進,張南,等.天文學報,2013,54:291

[2]葉培建,肖福根.航天器環(huán)境工程,2006,23:1

[3]張家宇,王煥玉,崔興柱,等.宇航學報,2014,35:115

[4]羅文宗,張文清.钚的分析化學.北京:原子能出版社,1991:1-2

[5]袁家軍.衛(wèi)星結構設計與分析(上).北京:中國宇航出版社,2004:160-175

Design and Environmental Verification of Chang’E-3 Moon-night Survival Device for APXS

CHEN Deng-yi1,2,3WU Jian1,2HU Yi-ming1,2,3CHANG Jin1,2
GONG Yi-zhong1,2CAI Ming-sheng1,2WANG Huan-yu4ZHANG Jia-yu4CUI Xing-zhu4WANG Jin-zhou4
(1 Purple Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)
(2 Key Laboratory of Dark Matter and Space Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)
(3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)
(4 Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The Active Particle X-ray Spectrum(APXS)is one of the 4 scientific payloads of Chang’E-3(CE-3)Lunar Rover,of which the scientific object is to identify the elements of lunar soil and rock samples.In this paper,the moon-night temperature of the moon surface will be described,and due to the cold environment the APXS will undergo after its landing.Thus,a specialized instrument which is named the moonnight survival device using the Radioisotope Heat Unit(RHU)as its heater source is designed to ensure APXS storage temperature requirements with limited sources on the satellite.In the end,a series of environmental tests are performed,and the installation of RHU on the launch tower as well as the status of the APXS working on orbit is presented since its launching in 2013.

instrumentation:detectors,methods:analytical,planets and satellites: detection

P171;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.05.011

2015-03-27收到原稿,2015-04-22收到修改稿

?dychen@pmo.ac.cn

?huyiming@pmo.ac.cn