“天問一號”火星著陸器表面磁場探測儀傳感器力學設計分析研究

董宜煊，張 磊，曾 立，孟立飛

（1.北京信息科技大學 高端信息產業研究院，北京 100196；2.中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094;3.北京航空航天大學空間與環境學院，北京 100191；4.北京衛星環境工程研究所，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射基地順利發射升空，預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射探測器的國家之一。

自1960年前蘇聯發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]。自轉周期為24小時37分，公轉周期約為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，研究火星的空間環境、磁場、氣候、地貌等，并掌握其規律，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射的窗口期[8]。2020年即是火星探測器發射非常有利的時期。美國國家航空航天局（NASA）的“毅力號”（Mars2020任務）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，該任務是阿拉伯世界的首次星際探索。此項任務即將探測火星大氣層的數據，同時也能極大地促進阿聯酋的工業和科學能力[10]。

“天問一號”目前已被火星捕獲，其主要科學任務目標是探測火星環境，尋找火星上現在及過去生命存在的證據[11]，為此，“天問一號”發射了一個火星環繞器和一個火星表面著陸器來實現聯合探測。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境特征，同時測量大氣，溫度，壓力，風場和火星表面的聲音[12]。磁場也是“天問一號”火星氣象環境探測任務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]，因此火星沒有發電機效應，太陽風將凍結的行星際磁場(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境磁場進行采樣，其觀測數據構成對火星磁場及其歷史演化的重要研究基礎[7]。

在“天問一號”任務執行期間，環繞器將反復越過火星磁層邊界，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域的磁場特性來系統研究火星整體磁場[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的高精度矢量測量，主要完成以下三個功能：

1）探測巡視區火星磁場，確定磁場指數。

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

3）通過探測火星表面磁場躍變，來推演火星內部的局部及整體結構，并研究火星深部導電率、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、發射、上升以及在軌運行各個階段的震動環境，還要承受火星著陸器的進入、減速和著陸過程[16]，力學條件十分惡劣。火星著陸器在進入大氣層之后，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，制動火箭發動機，利用反推力作用實現進一步的減速，最終通過著陸支架或打開氣囊的方式實現著陸緩沖，最后完成著陸器軟著陸[18]。“天問一號”在運輸、發射、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，由于飛行狀態和環境變化劇烈，強烈的震動會嚴重影響大多數元器件，如果不對系統進行力學設計，震動會導致元器件失效，進而引起整個設備失常。同時由于火星環境與我們熟知的地球環境截然不同，其環境參數具有極大的未知與不確定性，因此，通過力學設計來控制設備內部元器件的固有頻率，使其在工作的環境條件下不低于規定的允許最低固有頻率顯得尤為重要。此外，由于火星探測任務風險非常高，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格。體積小、重量輕、低功耗、穩定性高、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）的力學設計提出了更高的要求和挑戰。

2 表面磁場探測儀整體布局及設計

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。整個系統組成示意如圖1所示。

2.1 傳感器探頭外部結構設計

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

圖2 傳感器探頭外形設計圖

傳感器外殼部分金屬材料的選取主要從強度、加工性能、重量以及結合以往成功型號的經驗等諸因素考慮，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性能，且具有強度高、比重輕的特點。

為降低結構在振動過程中的響應，滿足力學環境及空間環境條件的要求，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、機箱各處螺釘等。

2.2 傳感器探頭功能主體結構設計

線圈為傳感器的功能主體，其主要由反饋線圈、感應線圈、激勵線圈三部分構成。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的航天級鋁合金材料。該材料熱膨脹系數與線圈接近，并具有硬度大、重量輕、便于加工等優點。支撐骨架由兩個橫梁、四根橫柱、四根立柱三部分構成組成。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 傳感器探頭內部結構設計圖

3 有限元建模及仿真

本節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、模態分析、頻率響應分析、加速度分析和隨機響應分析，驗證傳感器探頭結構設計方案，以滿足型號在規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合的方式劃分有限元網格，建立的有限元模型如圖5所示。有限元模型相對設計圖紙進行了簡化，主要是忽略了結構中小于Φ1mm孔的影響，建模按實體考慮。

圖4 傳感器探頭結構模型

圖5 探頭有限元模型圖

3.2 材料性能參數

探頭結構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

3.3 模態分析

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

表2 前6階模態對應頻率

圖6 一階模態（上：外表面，下：剖視）

3.4 頻率響應

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方向應力應變響應云圖如圖7～圖9所示。

圖7 Xz方向正弦應力云圖

圖8 Yz方向正弦應力云圖

圖9 Zz方向正弦應力云圖

3.5 加速度分析

表4 加速度試驗量級

加速度應力應變響應云圖如圖10～圖16所示。

圖10 縱向+10g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖11 縱向+16.5g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖12 縱向-30g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖13 縱向+30g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖14 縱向+26g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖15 縱向+22.5g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

圖16 橫向4g加速度應力應變響應云圖（上：外表面，下：剖視）

3.6 隨機響應

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

選取探頭中部節點繪制PSD響應曲線。

圖17 Xz方向結構中部節點15812的PSD響應曲線

圖18 Yz方向結構中部節點15812的PSD響應曲線

圖19 Zz方向結構中部節點15812的PSD響應曲線

3.7 小結

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

4 結語

本文針對我國首次火星探測任務中，火星著陸器將搭載表面磁場探測儀首次實現在地球以外的行星表面磁場觀測，設計了火星環境下表面磁場探測儀整體布局與結構，重點闡述了火星磁場測量的前端部件——傳感器探頭的結構設計與力學設計，并對該設計進行了力學仿真驗證。該設計在保證表面磁場探測儀高精度磁場測量的基礎之上，考慮了表面磁場探測儀要承受運輸、發射、上升、在軌運行、火星環境下著陸以及巡航探測等各個階段的震動環境，最終通過仿真驗證了本文設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提供了有力的理論與技術支撐。