從2019年1月3日著陸月球到1月11日和“玉兔二號(hào)”實(shí)現(xiàn)兩器互拍，我國“嫦娥四號(hào)”探測器圓滿完成此次登月任務(wù)。作為世界首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，“嫦娥四號(hào)”此次著陸堪稱是“盲降”。

　　對于人類完全陌生的月球背面，風(fēng)大不大？地平不平？土壤松軟不松軟？未來的“嫦娥五號(hào)”以什么樣的姿勢返回人間更安全、優(yōu)雅？這些都是科研人員需要對“嫦娥”悉心關(guān)照的細(xì)節(jié)。

　　天津大學(xué)教授崔玉紅和王建山的空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)在羽流與月壤相互作用、模擬月貌區(qū)、穩(wěn)定性試驗(yàn)面，以及“嫦娥”著陸器姿態(tài)及穩(wěn)定性分析和著陸面力學(xué)環(huán)境地面試驗(yàn)等方面做了大量工作，陸續(xù)協(xié)助“嫦娥三號(hào)”及“嫦娥四號(hào)”順利登月。大量成果也將應(yīng)用在預(yù)計(jì)2019年年底發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”以及2020年前后實(shí)施的火星探測計(jì)劃中。

　　月球真空環(huán)境下，高速高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流向外部真空環(huán)境膨脹、擴(kuò)散，形成羽毛狀流場 ，稱為“羽流”。羽流能引起月塵大面積擴(kuò)散和離子污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響著陸器的安全著陸。“嫦娥”在月球環(huán)境著陸中，羽流和月塵之間的作用如何真實(shí)再現(xiàn)？

　　天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種考慮月壤顆粒被羽流破壞揚(yáng)起以及真空環(huán)境下月壤顆粒之間碰撞、擴(kuò)散及雙向能量耦合的新計(jì)算方法，揭示了羽流和月塵之間相互作用的力學(xué)規(guī)律。這種方法不僅適用于連續(xù)區(qū)域，也適用于非連續(xù)區(qū)域的月壤顆粒計(jì)算，較為準(zhǔn)確地模擬了羽流與月壤顆粒相互作用的過程。

　　由于問題的復(fù)雜性及計(jì)算條件、方法的限制，相關(guān)的計(jì)算問題，上個(gè)世紀(jì)60年代美國阿波羅登月時(shí)被提出來，一直沒有被明確地解決。直到上個(gè)世紀(jì)80年代開始有學(xué)者陸續(xù)提出了一些計(jì)算方法，但都存在一定的局限性。天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)首次采用該流固耦合的方法分析真空環(huán)境中月壤顆粒的運(yùn)動(dòng)，所得數(shù)值計(jì)算結(jié)果與美國阿波羅11號(hào)實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。

　　但是，月球上的土壤是什么樣的？這在很大程度上決定了“嫦娥”采用何種方式在月球安全著陸。在登月前，用什么材料才能模擬出最“真實(shí)”的月壤？

　　空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值分析選定了可以模擬月球土壤的試驗(yàn)材料。團(tuán)隊(duì)通過大量實(shí)驗(yàn)，確定可用于模擬月壤材料的試驗(yàn)備選材料，采用大變形幾何關(guān)系，考慮彈性和塑性變形，及有摩擦接觸等因素，通過數(shù)值計(jì)算，模擬在著陸腿底部沖擊力作用下各種備選材料在著陸過程中的受力和變形。分析各種備選材料的受力和變形特征，根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，優(yōu)化選定可以模擬月壤的適用材料。

　　最后，團(tuán)隊(duì)研制了懸停避障緩速下降試驗(yàn)用月面，根據(jù)月面對微波和激光以及光學(xué)敏感器的反射特性要求，模擬月面多種地形，包括石塊、凹坑、坡度等，研制并完成模擬月貌區(qū)的試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真。

　　與此同時(shí)，空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)也對“嫦娥”著陸面力學(xué)環(huán)境地面進(jìn)行多次著陸沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了單機(jī)加速度力學(xué)條件的正確性；試驗(yàn)后太陽翼、定向天線、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)等展開性能正常；OSR（戶外、生存、求救）、電池片檢驗(yàn)沒有破損；推進(jìn)系統(tǒng)、熱管等漏率指標(biāo)滿足要求完成了著陸沖擊試驗(yàn)中著陸床地面研制等。

　　針對落地時(shí)“嫦娥”的著陸腿底部選用什么材料才更穩(wěn)定的問題，團(tuán)隊(duì)基于地面仿真試驗(yàn)的要求，模擬六分之一地球重力的邊界條件，通過科學(xué)的力學(xué)分析為“嫦娥”選定一雙最舒適的“鞋”提供重要參考。

　　根據(jù)中國探月工程“繞”“落”“回”的計(jì)劃，或?qū)⒂?019年發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”將完成月面取樣返回任務(wù)。“嫦娥”以什么姿態(tài)返回地球最為安全和優(yōu)雅？

　　空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)在“著陸器姿態(tài)及穩(wěn)定性分析”中，完成了登月著陸器返回地球大氣層后的姿態(tài)及穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了各導(dǎo)航敏感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。對登月著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管返回地球大氣層后的各種姿態(tài)進(jìn)行了二維和三維建模和數(shù)值仿真，并且模擬計(jì)算了登月著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度工況下的推力、比沖等特性參數(shù)，與熱空間力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，為登月著陸器返回地球大氣層后的姿態(tài)及穩(wěn)定性提供參考數(shù)據(jù)。這一研究將用于“嫦娥五號(hào)”和未來“嫦娥六號(hào)”的研制。

　　不久前，我國公布首次火星探測任務(wù)將于2020年前后實(shí)施。天津大學(xué)空間力學(xué)團(tuán)隊(duì)目前正承擔(dān)著模擬火星土壤等的部分工作，為2020年火星探測任務(wù)助力。(記者 胡春艷)