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月球探测卫星会面临哪些特殊环境

发布日期:2015年12月15日字体: 【大】【中】【小】

  我们仰望星空,一轮明月如同玉盘般挂在半空中。远远地看去,月亮是那么地美丽和安详,但实际却并非如此,月球附近轨道的空间环境是十分严酷和特殊的,除了具备一般太空环境中所共有的高真空、微重力、强辐射等特点以外,还具有一些特殊之处,需要在月球探测卫星设计时加以考虑。

  一、光照条件

  地球围绕太阳转、月球围绕地球转、卫星围绕月球转,日、地、月、卫星四者的相对位置关系导致了其特殊的轨道光照条件。

  月球探测卫星的轨道通常采用环月极轨道,其轨道面方向在惯性空间中不变。因此在一年中,太阳光与卫星轨道面的夹角会从0度变化到360度,如图1所示。当该夹角位于某些区间内时,卫星轨道处于全日照状态;而另外一些时候,卫星轨道的一部分能够被阳光照射到,另一部分则位于月球的阴影里。这意味着卫星绕月球每飞行一圈,就会进行一次充放电过程。以嫦娥一号卫星为例计算,其轨道周期约两个小时,那么卫星在1年寿命内将进行4000多次充放电。如果卫星延期服役,那么充放电次数还会更多。

  如果月球进入地球的阴影里,那么卫星将经历长达几个小时的月食,如图2所示。在月食中,无法获得太阳能输入,只能依靠蓄电池硬扛。并且此时卫星的温度也将急剧下降,会造成电池性能的进一步下降。因此卫星的供配电设计需要考虑月食这一特殊环境因素。


图一  太阳光与卫星轨道面关系示意图

  
  图二  月食示意图

  二、温度条件

  由于月球附近没有大气层的保温效应,环月轨道上阳照区和阴影区的温差非常大。受阳光直接照射的地方,温度高达一百多摄氏度,阴影区温度则会下降至零下一百多摄氏度,并且卫星将在这一区域飞行几十分钟。遇到月食时,卫星经历超低温的时间就更长了,达到几个小时,是一个严峻的挑战。其次,月球的太阳光反射和红外低温辐射会作用到卫星对月面,也会影响卫星的温度变化。再者,卫星内部的仪器设备工作时也会散发热量,有的设备散热量大,而有的散热量小。

  因此,卫星的外部热环境会发生周期性剧烈变化,而内部各个位置的热分布又很不均衡,给热控设计带来了困难。

  三、电磁环境

  人类活动产生了大量的无线电干扰,并且由于受到地球电离层的干扰,在地球上难以开展频率低于10MHz的射电天文观测,甚至在地球轨道甚至月球正面开展的空间射电天文观测也受到地球电离层反射和人工无线电的干扰。而月球背面屏蔽了地球的无线电干扰、闪电和极光无线电发射,月夜期间还屏蔽了强烈的太阳射电辐射,因此月球背面及其上空具有非常独特的无线电环境,是开展低频射电天文学观测的绝佳地点。当月球探测卫星在环月轨道上运行到月球背面时,将填补100KHz-1MHz射电天文观测的空白。美国将于2020年发射的DARE(Dark Ages Radio Explorer)卫星和我国将于2018年前后发射的嫦娥四号探测器都将利用这一特殊条件,开展低频射电天文观测活动。来源:探月与航天工程中心,王琼 

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