載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)征集活動(dòng)說(shuō)明手冊(cè)

1、載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)征集活動(dòng)說(shuō)明手冊(cè)一、名詞解釋1、航天器航天器（ spacecraft ）：又稱空間飛行器、太空飛行器。按照天體力學(xué)的規(guī)律在太空運(yùn)行，執(zhí)行探索、開(kāi)發(fā)、利用太空和天體等特定任務(wù)的各類飛行器。航天器為了完成航天任務(wù)， 必須與航天運(yùn)載器、 航天器發(fā)射場(chǎng)和回收設(shè)施、航天測(cè)控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)與用戶臺(tái)站（網(wǎng)）等互相配合，協(xié)調(diào)工作，共同組成航天系統(tǒng)。航天器是執(zhí)行航天任務(wù)的主體，是航天系統(tǒng)的主要組成部分。2、航天探測(cè)器航天探測(cè)器（ space probe ）又稱空間探測(cè)器，對(duì)月球和月球以遠(yuǎn)的天體和空間進(jìn)行探測(cè)的無(wú)人航天器，空間探測(cè)的主要工具。 可以是人造衛(wèi)星飛進(jìn)月球或行星進(jìn)行近距離觀測(cè)，也可以如我國(guó)的嫦

2、娥三號(hào)、四號(hào)探測(cè)器一樣，著陸進(jìn)行實(shí)地考察，甚至如未來(lái)的嫦娥五號(hào)一樣采集樣品進(jìn)行研究分析并返回。例如：嫦娥三號(hào)探測(cè)器（英文：Chang'e 3）是中華人民共和國(guó)探月工程二期中的一個(gè)探測(cè)器， 是中國(guó)第一個(gè)月球軟著陸的無(wú)人登月探測(cè)器。嫦娥三號(hào)探測(cè)器由月球軟著陸探測(cè)器（簡(jiǎn)稱著陸器）和月面巡視探測(cè)器（簡(jiǎn)稱巡視器，又稱玉兔號(hào)月球車，英文：Yutu ）組成。1而嫦娥四號(hào)探測(cè)器原是嫦娥三號(hào)的備份，結(jié)構(gòu)基本一致， 在三號(hào)成功后進(jìn)行了改進(jìn)。3、有效載荷衛(wèi)星的有效載荷 （Payload ）就是直接執(zhí)行特定衛(wèi)星任務(wù)的儀器、設(shè)備或分系統(tǒng)。對(duì)于以科學(xué)探測(cè)為任務(wù)的衛(wèi)星或探測(cè)器平臺(tái)，有效載荷是指星上或器上用于科學(xué)探測(cè)

3、的設(shè)備、儀器或分系統(tǒng)。4、軌道衛(wèi)星飛行的水平速度叫第一宇宙速度， 即環(huán)繞速度。 衛(wèi)星只要獲得這一水平方向的速度后， 不需要再加動(dòng)力就可以環(huán)繞中心天體飛行。這時(shí)衛(wèi)星的飛行軌跡叫衛(wèi)星軌道。人造地球衛(wèi)星軌道： 從衛(wèi)星起飛到衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行工作， 一直到衛(wèi)星的壽命結(jié)束， 衛(wèi)星質(zhì)心的運(yùn)行軌跡， 我們稱之為人造地球衛(wèi)星軌道。很明顯，人造地球衛(wèi)星軌道分為如下三個(gè)部分：a、發(fā)射軌道：衛(wèi)星從起飛到入軌，衛(wèi)星質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們稱之為發(fā)射軌道。b、入軌點(diǎn)：衛(wèi)星進(jìn)入運(yùn)行軌道稱為入軌，進(jìn)入運(yùn)行軌道的初始點(diǎn)，我們稱之為入軌點(diǎn)。c、運(yùn)行軌道：衛(wèi)星入軌后開(kāi)始運(yùn)行工作，一直到工作壽命結(jié)束，衛(wèi)星質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡我們稱之為運(yùn)行軌道

4、。地月轉(zhuǎn)移軌道： 從月球探測(cè)器通過(guò)不斷加速、脫離地球引力、飛向月球開(kāi)始，到被月球引力捕獲、近月制動(dòng)為止的軌道段。2環(huán)月軌道：顧名思義， “環(huán)”為環(huán)繞“，月”為月球，意為航天器環(huán)繞月球飛行的軌道。5、拉格朗日點(diǎn)指受兩大物體引力作用下， 能夠使小物體穩(wěn)定的點(diǎn)。 一個(gè)小物體在兩個(gè)大物體的引力作用下在空間中的一點(diǎn)，在該點(diǎn)處，小物體相對(duì)于兩大物體基本保持靜止。這些點(diǎn)的存在由法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日于1772 年推導(dǎo)證明的。 1906 年首次發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)于木星軌道上的小行星（見(jiàn)特洛伊群小行星） 在木星和太陽(yáng)的作用下處于拉格朗日點(diǎn)上。 在每個(gè)由兩大天體構(gòu)成的系統(tǒng)中， 按推論有 5 個(gè)拉格朗日點(diǎn)， 但只有兩個(gè)是穩(wěn)定的，

5、即小物體在該點(diǎn)處即使受外界引力的攝擾， 仍然有保持在原來(lái)位置處的傾向。由于嫦娥四號(hào)探測(cè)器計(jì)劃將選在月球背面著陸，探測(cè)器需要通過(guò)一顆中繼衛(wèi)星才能與地面通訊。按計(jì)劃，中繼星將在地月 L2 點(diǎn)附近執(zhí)行中繼任務(wù)。 同時(shí)，中繼星上也可以搭載用于執(zhí)行科學(xué)探測(cè)任務(wù)的有效載荷。5、月球背面月球因其自轉(zhuǎn)周期與繞地球公轉(zhuǎn)周期相同，所以始終有一側(cè)面對(duì)3地球，一側(cè)背對(duì)地球即稱為月球背面(Far side) 。人類之前的有人和無(wú)人月表著陸探測(cè)都是在月球正面開(kāi)展，目前還沒(méi)有月球背面著陸探測(cè)。二、月表環(huán)境簡(jiǎn)介1、引力在之前的探索任務(wù)中， 科學(xué)家測(cè)量到月球重力大約只有地球的六分之一。 2012 年 3 月到 5 月，美國(guó)宇航

6、局曾有研究，根據(jù)特定的探測(cè)信息，繪制月球表面更詳細(xì)的重力場(chǎng)構(gòu)想圖。2、溫度由于月球上沒(méi)有大氣， 再加上月面物質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱率又很低因而月球表面晝夜的溫差很大。白天，在陽(yáng)光垂直照射的地方溫度高達(dá) 120 攝氏度；夜晚，溫度可降低到零下180 攝氏度。3、真空據(jù)美國(guó)阿波羅12、14 、15 號(hào)飛船搭載的設(shè)備在月表直接測(cè)量結(jié)果，月球表面為超高真空環(huán)境， 白天的真空度約為10-8 Pa，夜晚達(dá)到10-10 Pa。4、輻射輻射環(huán)境可以導(dǎo)致航天器材料或器件性能下降或功能故障，也可導(dǎo)致生物組織機(jī)能損傷，是人類航天面臨的主要威脅之一。探測(cè)、掌握即將進(jìn)入空間的輻射環(huán)境是免受輻射災(zāi)害的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于月球沒(méi)有內(nèi)稟

7、磁場(chǎng)， 也沒(méi)有稠密的大氣層， 銀河系的宇宙線和太陽(yáng)高能粒子可以直接轟擊到月球表面，甚至深入月球巖石層， 從4而產(chǎn)生復(fù)雜的次級(jí)輻射粒子、濺射和反射粒子， 這使得月球附近帶電粒子輻射環(huán)境較行星際宇宙線環(huán)境背景更佳惡劣。同時(shí)，月球除 80%的時(shí)間暴露于太陽(yáng)風(fēng)中外， 其它時(shí)間則位于地球磁層磁尾處，處于地球磁場(chǎng)保護(hù)下，更增加了月球附近空間輻射環(huán)境的復(fù)雜性。5、磁場(chǎng)月球磁場(chǎng)的性質(zhì)可以為月球內(nèi)部構(gòu)造研究提供重要的依據(jù)，因而備受月球科學(xué)家們的關(guān)注。月球現(xiàn)在沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng)。然而，在采集回來(lái)的月球巖石樣品中卻發(fā)現(xiàn)月巖具有天然的剩余磁化組分，表明月球在歷史上可能曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)全球性的磁場(chǎng)。根據(jù)美國(guó)阿波羅12、1

8、4、15、16 號(hào)等飛船攜帶的探測(cè)儀器測(cè)量情況看，月球的局地磁場(chǎng)和區(qū)域磁場(chǎng)的強(qiáng)度存在顯著變化，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值從幾 nT 至幾百 nT 不等。6、地月距離月球離地球近地點(diǎn)距離為35.7 萬(wàn) 千米；距離地球最遠(yuǎn)的遠(yuǎn)地點(diǎn)距離為 40.6 萬(wàn)千米。地球到月球的平均距離是384,400 千米，目前研究發(fā)現(xiàn)，月球?qū)?huì)越來(lái)越遠(yuǎn)離地球，每年大約遠(yuǎn)離3.8 厘米左右。7、月球晝夜周期月球的自轉(zhuǎn)周期為27.3 個(gè)地球日，即一個(gè)月晝或月夜約14 個(gè)地球日的時(shí)間。三、創(chuàng)意設(shè)計(jì)目標(biāo)與需要考慮的要素1、具有一定的技術(shù)創(chuàng)新性我們希望您所提出的設(shè)備或探測(cè)任務(wù)在技術(shù)上具有一定的創(chuàng)新5性，即在目前所具有的資源和條件下，通過(guò)與以往不同

9、的巧思，對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)或產(chǎn)品優(yōu)化、組合，并經(jīng)過(guò)改進(jìn)或創(chuàng)造，獲得更佳或更新的效果。由于航天工程研制是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)備的研制不太可能通過(guò)“異想天開(kāi)”或“零基礎(chǔ)”的“創(chuàng)造”我產(chǎn)們生希，望所提出的載荷建議具有創(chuàng)新性的同時(shí)也具有可行性，即在利用現(xiàn)有的組織、流程、模式、經(jīng)驗(yàn)、資源等等條件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)科學(xué)合理的改進(jìn)和創(chuàng)新，按要求實(shí)現(xiàn)設(shè)備的研制。2、具有一定的科普價(jià)值與意義所建議的科學(xué)探測(cè)任務(wù)應(yīng)具有一定的科學(xué)普及價(jià)值，即能夠有助于以淺顯的、讓公眾易于理解、接受和參與的方式，很好地向普通大眾介紹自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)知識(shí)、推廣科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用、 倡導(dǎo)科學(xué)方法、傳播科學(xué)思想、弘揚(yáng)科學(xué)精神。3、具有工程可實(shí)現(xiàn)性為了抓

10、住目前探月工程特定的機(jī)遇， 嫦娥四號(hào)任務(wù)需要在很短的周期里完成研制任務(wù)， 所以需要所建議的有效載荷設(shè)備具有一定的成熟度和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 能夠按照工程系統(tǒng)的安排， 完成各個(gè)階段的研制任務(wù)，最終按計(jì)劃搭載飛行，到達(dá)預(yù)定區(qū)域，開(kāi)展預(yù)定的探測(cè)工作。按照現(xiàn)有的航天器研制基礎(chǔ)， 為了實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)科學(xué)探測(cè)任務(wù)， 在儀器的設(shè)計(jì)方面， 首先要考慮飛行和在軌工作過(guò)程的環(huán)境適應(yīng)性。 在從地面到月球的征途上， 著陸器、巡視器和中繼星都要經(jīng)歷從地面環(huán)境向失重、高真空、強(qiáng)輻射、超低溫等環(huán)境的轉(zhuǎn)換，對(duì)有效載荷設(shè)備自6身生存和工作能力提出更高的要求。 特別是在月球表面， 晝夜溫差很大，而且探測(cè)器平臺(tái)在月夜進(jìn)行休眠模式，不能供電保溫，

11、需要載荷儀器自身具有熱控措施。除此以外，在星上 /器上資源非常有限的條件下，在有效載荷設(shè)備的設(shè)計(jì)中要特別注重小型化、 輕量化和低功耗。 目前平臺(tái)上的能夠供新設(shè)備的安裝面已非常有限， 所建議的載荷設(shè)備的體型包絡(luò)應(yīng)該盡量??；質(zhì)量應(yīng)該控制在 3 公斤以內(nèi)；功耗指標(biāo)將由有效載荷分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)不同工作模式進(jìn)行分析后統(tǒng)籌分配， 通常一臺(tái)設(shè)備的功耗應(yīng)該控制在幾瓦到十幾瓦。四、載荷建議約束條件載荷的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)， 必然受到所處環(huán)境包括太空環(huán)境、 月球表面環(huán)境的影響， 也必然受到所搭載的探測(cè)器的帶載能力的限制。 因此，創(chuàng)意設(shè)計(jì)建議考慮的約束條件為：1 、重量：?jiǎn)闻_(tái)工作載荷或者聯(lián)合工作載荷組的總重量不超過(guò)3kg 。2、真空：能夠耐受真空環(huán)境，且可以在真空環(huán)境下工作。3、溫度：短期工作載荷可耐受-80+80 溫度環(huán)境。需要過(guò)月夜的長(zhǎng)期工作載荷可耐受-180 +80溫度環(huán)境。4、體積：載荷體積的約束條件隨安裝位置的不同而變化，在此不做特殊規(guī)定。5、功率：載