“天问一号”火星着陆器表面磁场探测仪传感器力学设计分析研究

董宜煊，张 磊，曾 立，孟立飞

（1.北京信息科技大学 高端信息产业研究院，北京 100196；2.中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094;3.北京航空航天大学空间与环境学院，北京 100191；4.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

我国第一个自主研制的火星探测器——“天问一号”于北京时间2020年7月23日由长征五号火箭在中国文昌航天发射基地顺利发射升空，预示我国成功迈出了行星探测的第一步，我国就此成为成功向火星发射探测器的国家之一。

自1960年前苏联发射第一枚火星探测器，人类便竞相开始了对火星的探测，已有40余枚航天器到达过火星。火星是离太阳第四近的行星，是太阳系中最近似于地球的天体之一[1]。自转周期为24小时37分，公转周期约为2个地球年，为687天，因此火星有类似地球的四季交替与昼夜变化[2]。通过探索火星，研究火星的空间环境、磁场、气候、地貌等，并掌握其规律，有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化，探寻和开发空间资源[3～7]。

但受限于运载火箭的能力，每隔大约26个月，地球与火星会运行至最近的位置，此时可以用最短的时间、最近的路程以及最少的能量消耗从地球到达火星，被称为火星探测器发射的窗口期[8]。2020年即是火星探测器发射非常有利的时期。美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”（Mars2020任务）于北京时间2020年7月30日由宇宙神运载火箭从卡纳维拉尔角发射成功，按计划于2021年2月登陆火星表面，“毅力号”火星车将首次采集火星岩石样本返回地球[9]。阿联酋的“希望号”火星探测器于北京时间2020年7月20日由日本火箭在日本种子岛成功点火升空，该任务是阿拉伯世界的首次星际探索。此项任务即将探测火星大气层的数据，同时也能极大地促进阿联酋的工业和科学能力[10]。

“天问一号”目前已被火星捕获，其主要科学任务目标是探测火星环境，寻找火星上现在及过去生命存在的证据[11]，为此，“天问一号”发射了一个火星环绕器和一个火星表面着陆器来实现联合探测。火星表面着陆器搭载的火星气象站（Mars Climate Station，MCS）探索火星的气候和环境特征，同时测量大气，温度，压力，风场和火星表面的声音[12]。磁场也是“天问一号”火星气象环境探测任务中的一个重要测量要素。

与地球不同，1993年火星全球勘测者计划（Mars Global Surveyor，MGS）开展的磁场测量试验已证实火星没有全球磁场[13]，因此火星没有发电机效应，太阳风将冻结的行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field，IMF)拖拽到火星周围形成围绕火星的磁层[14]。经过两个火星年以上的测绘工作，基于火星地壳中的剩磁，火星全球勘测者（MGS）首度绘制了火星全球磁场图[15]。美国国家航空航天局（NASA）的火星大气与挥发物演化(MAVEN)航天器携带了由两个独立的三轴磁通门磁强计传感器组成的磁场测量仪，以每秒32个矢量样本的固有采样率对火星环境磁场进行采样，其观测数据构成对火星磁场及其历史演化的重要研究基础[7]。

在“天问一号”任务执行期间，环绕器将反复越过火星磁层边界，搭载的火星轨道磁力仪（Mars Orbiter Magnetometer，MOMAG）通过测量接近火星空间不同区域的磁场特性来系统研究火星整体磁场[11]。同时火星着陆器还搭载火星表面磁场探测仪（Mars Rover Magnetometer，RoMAG）在火星表面进行连续的高精度矢量测量，主要完成以下三个功能：

1）探测巡视区火星磁场，确定磁场指数。

2）与环绕器配合，探测火星空间磁场，研究火星电离层电子浓度、电导率等特性，并进一步反演出火星电离层的发电机电流等。

3）通过探测火星表面磁场跃变，来推演火星内部的局部及整体结构，并研究火星深部导电率、圈层厚度、温度等特征。

作为安装在“天问一号”着陆器上的电子产品，与火星轨道磁力仪（MOMAG）相比，火星表面磁场探测仪（RoMAG）不仅要承受运输、发射、上升以及在轨运行各个阶段的震动环境，还要承受火星着陆器的进入、减速和着陆过程[16]，力学条件十分恶劣。火星着陆器在进入大气层之后，首先通过着陆舱的气动外形在有牵引力或无牵引力的状态下减速（通常高度为距火星地面125km，速度约为5.6km/s），而后弹出降落伞（通常高度为距火星地面10km，速度约为470m/s），再度减速[17]，然后，在即将到达地面时，制动火箭发动机，利用反推力作用实现进一步的减速，最终通过着陆支架或打开气囊的方式实现着陆缓冲，最后完成着陆器软着陆[18]。“天问一号”在运输、发射、上升、在轨运行各个阶段以及在火星进入、减速和着陆过程中，由于飞行状态和环境变化剧烈，强烈的震动会严重影响大多数元器件，如果不对系统进行力学设计，震动会导致元器件失效，进而引起整个设备失常。同时由于火星环境与我们熟知的地球环境截然不同，其环境参数具有极大的未知与不确定性，因此，通过力学设计来控制设备内部元器件的固有频率，使其在工作的环境条件下不低于规定的允许最低固有频率显得尤为重要。此外，由于火星探测任务风险非常高，且资源有限，“天问一号”搭载的精密测量仪器有效载荷必须符合苛刻的规格。体积小、重量轻、低功耗、稳定性高、高可靠性都是火星表面磁场探测仪（RoMAG）必须满足的要求，这也同时为火星表面磁场探测仪（RoMAG）的力学设计提出了更高的要求和挑战。

2 表面磁场探测仪整体布局及设计

天问一号着陆器火星表面磁场探测仪（RoMAG）包括两个传感器探头用来采集磁场信号，以消除背景磁场的影响。两个传感器探头分别安装于桅杆顶端和桅杆底部。整个系统组成示意如图1所示。

2.1 传感器探头外部结构设计

传感器探头是磁场测量的前端部件，该部件的优异性能是高精度磁场测量的基础。传感器探头外形采用近圆柱体设计，外壳主要由上盖、底座和印制板组成，外壳为整体一体化设计。传感器底部用钛钉固定于伸杆上，传感器探头整体设计考虑到其微振动测量的用途，采取小型化、轻量级设计，减小卫星整体配重同时降低卫星动力学设计难度。

图2 传感器探头外形设计图

传感器外壳部分金属材料的选取主要从强度、加工性能、重量以及结合以往成功型号的经验等诸因素考虑，采用镁铝合金，表面黑色阳极化处理。这种材料具有较高的热传导性能，且具有强度高、比重轻的特点。

为降低结构在振动过程中的响应，满足力学环境及空间环境条件的要求，整机装配前需进行固封，固封的部位包括印制板上大的插装元器件、功率变压器、机箱各处螺钉等。

2.2 传感器探头功能主体结构设计

线圈为传感器的功能主体，其主要由反馈线圈、感应线圈、激励线圈三部分构成。这些线圈均为同心线圈组，由直径小于1mm的漆包线多圈绕制而成。由于采用的线圈为无骨线圈，因此支撑骨架选用硬质的航天级铝合金材料。该材料热膨胀系数与线圈接近，并具有硬度大、重量轻、便于加工等优点。支撑骨架由两个横梁、四根横柱、四根立柱三部分构成组成。线圈采用航天级胶水粘合固定在骨架之上，骨架的立柱通过螺丝固定于外壳底板上。如图3所示。

图3 传感器探头内部结构设计图

3 有限元建模及仿真

本节以传感器探头为分析对象，利用Patran和Nastran软件对传感器探头进行有限元建模、模态分析、频率响应分析、加速度分析和随机响应分析，验证传感器探头结构设计方案，以满足型号在规定的工作条件下高可靠、长寿命的使用要求。

3.1 建立有限元模型

建立的实体模型如图4所示。采用自动剖分与手工相结合的方式划分有限元网格，建立的有限元模型如图5所示。有限元模型相对设计图纸进行了简化，主要是忽略了结构中小于Φ1mm孔的影响，建模按实体考虑。

图4 传感器探头结构模型

图5 探头有限元模型图

3.2 材料性能参数

探头结构金属材料采用镁铝合金MB8及铝合金2A12，其典型的材料特性如表1所示。

表1 材料性能参数

3.3 模态分析

根据振动理论，结构的高阶模态对振动的响应可以忽略不计，重点考虑结构的低阶模态对振动的响应。探测器采用底部3个孔与航天器伸杆固定连接，模态分析中将全部孔表面节点固定约束，分析得到模态频率如表2所示。结构阻尼值取0.03。由图表可见，传感器探头基频为2166.2Hz。

表2 前6阶模态对应频率

图6 一阶模态（上：外表面，下：剖视）

3.4 频率响应

表面磁场探测仪的正弦试验量级如表3所示。

表3 5Hz～100Hz正弦试验量级

正弦Xz、Yz、Zz方向应力应变响应云图如图7～图9所示。

图7 Xz方向正弦应力云图

图8 Yz方向正弦应力云图

图9 Zz方向正弦应力云图

3.5 加速度分析

表4 加速度试验量级

加速度应力应变响应云图如图10～图16所示。

图10 纵向+10g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图11 纵向+16.5g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图12 纵向-30g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图13 纵向+30g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图14 纵向+26g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图15 纵向+22.5g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

图16 横向4g加速度应力应变响应云图（上：外表面，下：剖视）

3.6 随机响应

表面磁场探测仪的随机试验量级如表5所示。

表5 5Hz～100Hz随机试验量级

选取探头中部节点绘制PSD响应曲线。

图17 Xz方向结构中部节点15812的PSD响应曲线

图18 Yz方向结构中部节点15812的PSD响应曲线

图19 Zz方向结构中部节点15812的PSD响应曲线

3.7 小结

通过MSC.Patran、MSC.Nastran软件对探测器结构进行了动力学仿真分析，得到结构基频为2166.2Hz。在鉴定级试验条件下，仿真分析得到：X向各响应点加载最大应力值为5.77×104Pa；Y向各响应点加载最大应力值为4.85×104Pa；Z向加载各响应点最大应力值为9.04×104Pa。应力均远小于材料许应力。随机响应加速度量级在10-4m/s2。

4 结语

本文针对我国首次火星探测任务中，火星着陆器将搭载表面磁场探测仪首次实现在地球以外的行星表面磁场观测，设计了火星环境下表面磁场探测仪整体布局与结构，重点阐述了火星磁场测量的前端部件——传感器探头的结构设计与力学设计，并对该设计进行了力学仿真验证。该设计在保证表面磁场探测仪高精度磁场测量的基础之上，考虑了表面磁场探测仪要承受运输、发射、上升、在轨运行、火星环境下着陆以及巡航探测等各个阶段的震动环境，最终通过仿真验证了本文设计的有效性及可靠性，为火星乃至其他地外行星表面磁场探测的实现提供了有力的理论与技术支撑。