登月舱

级间分离关键技术分析载人登月舱上升段和下降段通过机械连接形成一个整体结构，上升段返回时，将与下降段断开。尽管我国“嫦娥”探月三期将突破返回舱返回任务，但是载人登月舱上升段和下降段之间除了机械连接外，还包含与航天员任务密切相关的连接电缆，用于将储存于下降段的水和氧气输送给环境控制系统的气体、液体通道，并且提供冷却液的循环回路。因此返回前，上升段和下降段分离时不仅仅需要解除机械连接，还要切断连接电缆、气体、液体连接通道，而且需要对液体通道断面处进行密封。通常情况，级间分离技术包含三个方面：（1）上升段和下降段之间的机械连接断开关键技术。针对级间机械连接的断开广泛采用的是爆炸螺栓，我国“嫦娥”三期及“阿波罗”工程均采用爆炸螺栓断开机械连接。通常情况下登月舱上升段与下降段之间采用四个爆炸螺栓进行连接，爆炸螺栓具有承载能力大、结构简单、工作可靠、使用方便的优点；（2）上升段和下降段之间的连接线缆断开关键技术。登月舱上升段与下降段级间分离除了上述机械连接断开外，还包括与航天员密切相关的连接线缆及气液通道断开技术。综合前期载人登月及我国载人航天研究成果，通常情况下级间连接线缆的断开可以采用级间缆线断开器，级间气体、液体通道的断开可以采用气液通道断开器；（3）上升段与下降段气液通道断面的自动密封关键技术。载人登月舱上升段及下降段电缆线、水供应通道、氧气供应通道等断开后，断口处的自动密封装置必须具有高度可靠性，否则会严重威胁航天员的生命安全。对月球登月舱来说，气液通道断开面一般位于分离机构处，用爆炸螺栓通过分离机构将上升段和下降段连接起来，分离时爆炸螺栓引爆，分离机构沿分离面断开，分开的气液通道端面根据需要应能自动密封，避免发生气体和液体的泄露。自动密封装置具有结构简单和稳定可靠的特点，“阿波罗”采用的是压缩式双密封装。软着陆关键技术实现月面软着陆且保证航天员安全是整个探月任务中最关键的技术之一，能否使登月舱稳定、安全的着陆在月面上直接关系到整个探测任务的成败。航天器实现软着陆的方式有很多，应用于航天器软着陆的缓冲方式主要有以下几种：降落伞、着陆缓冲火箭、缓冲气囊、机械式缓冲器、压缩式吸能缓冲器。美国和前苏联发射的无人月球探测器中，将机械式缓冲器和压缩式吸能缓冲器组合起来作为软着陆系统，而“阿波罗”载人登月计划中，登月舱软着陆系统采用的是压缩式吸能缓冲器。在新一轮探月高潮中，各国对磁流变缓冲器、油气缓冲器、金属橡胶缓冲器等应用于月球软着陆的可行性开展研究。伴随着新型缓冲材料的出现，尤其是半主动缓冲技术的应用成熟，突破传统的铝蜂窝缓冲装置，寻找简易、可控、可靠性高的缓冲材料是未来载人登月软着陆领域发展趋势。缓冲性能分析及耐撞性设计航天器与航天员之间不断地有动量和动量矩的交换，而这种相互作用在作用形式、作用规模、作用强度、作用位置和范围、作用时刻和时间等方面，都是随机的、不确定的，而且是高度耦合的。必须在载人航天器动力学模型中考虑航天员的作用和影响。国内对登月着陆器的研究主要针对不载人着陆器，并未考虑航天员的参与以及坠撞特性。对载人登月最后着陆过程而言，可能出现各种意想不到的情况，登月舱有可能发生倾覆或者坠撞，登月舱主要结构是否不遭到致命的破坏，航天员能否利用上升舱返回，是极其重要的问题。因此需要对着陆器进行坠撞分析和耐撞性设计的研究。我国在这方面的研究尚处于起步阶段，缺乏相关的全机坠撞试验和仿真分析研究经验，更缺乏相关设计标准和试验标准。软着陆机构柔性铰链设计技术由于月球表面不是平坦的，登月舱着陆于有坡度的月面时，登月舱相对于着陆处的水平面也存在坡度，对载人登月舱而言，如果着陆后登月舱不是水平的，将会导致很多不便，可应用柔性铰链对登月舱进行自水平设计。对每条着陆腿使用柔性铰链，并对柔性铰链进行优化设计，使登月舱能在一定的着陆坡度范围内保持接近水平的状态。着陆器的重量与柔性铰链的抵抗力矩共同作用使登月舱达到静力平衡。登月舱柔性铰链设计关键在于如何推导柔性铰链的转动刚度，并对柔性铰链与机构参数进行优化。针对柔性铰链计技术早期使用试凑法，现多用基于拓扑结构的系统化分析与设计方法。主要有：刚体替换法（伪刚体模型法、结构矩阵法）、连续法（拓扑优化法、均匀化法、基础结构法、窗函数法、水平集法）、约束设计法、基于旋量理论的拓扑综合法、模块法等。非对称式载人登月舱设计关键技术登月舱总体具有对称布局与非对称布局两种。探月领域所采用过的均为对称布局。但是有关研究表明：在相同的可靠性、稳定性基础上，非对称登月舱相对于对称登月舱可减少10%左右结构质量。非对称登月舱相对于对称登月舱优点归纳总结如下：（1）着陆腿非对称分布有利于配平登月舱重心位置、便于机构布置、结构简单、便于运载同时容易适应运输空间装载要求；（2）着陆腿非对称分布形式的登月舱可以提高登月舱的着陆稳定性，研究表明：非对称四腿着陆结构，相对于对称四腿着陆结构，该非对称的四腿结构一侧的两条腿向外伸长，将足垫与机体的轴线的距离增加了33%，这样就在很大程度上提高了着陆稳定性。同时非对称登月舱可以适应其他任务要求。尽管对称式登月舱仍然是探月的主流选择，我国“嫦娥”二期、三期均使用对称布局登月舱。但由于非对称登月舱优良的着陆性能，相对较轻的质量同时适合较大规模登月舱尤其载人系列，国外研究已广泛开展，其研究也取得阶段性成果。