载荷创意设计征集活动说明手册

载荷创意设计征集活动说明手册一、名词解释1、航天器航天器（spacecraft）:又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体 力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任 务的各类飞行器。航天器为了完成航天任务，必须与航天运载器、航天器发射场和 回收设施、航天测控和数据采集网与用户台站（网）等互相配合，协 调工作，共同组成航天系统。航天器是执行航天任务的主体，是航天 系统的主要组成部分。2、航天探测器航天探测器（space probe ）又称空间探测器，对月球和月球以 远的天体和空间进行探测的无人航天器，空间探测的主要工具。可以是人造卫星飞进月球或行星进行近距离观测，也可以如我国的嫦娥三号、四号探测器一样，着陆进行实地考察，甚至如未来的嫦娥五号一 样采集样品进行研究分析并返回。例如：嫦娥三号探测器（英文：Change 3）是中华人民共和国 探月工程二期中的一个探测器，是中国第一个月球软着陆的无人登月 探测器。嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器（简称着陆器）和月面 巡视探测器（简称巡视器，又称玉兔号月球车，英文：Yutu）组成。而嫦娥四号探测器原是嫦娥三号的备份， 结构基本一致，在三号成功 后进行了改进。3、有效载荷卫星的有效载荷（Payload）就是直接执行特定卫星任务的仪器、 设备或分系统。对于以科学探测为任务的卫星或探测器平台，有效载荷是指星上 或器上用于科学探测的设备、仪器或分系统。4、轨道卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度， 即环绕速度。卫星只要 获得这一水平方向的速度后，不需要再加动力就可以环绕中心天体飞 行。这时卫星的飞行轨迹叫卫星轨道。人造地球卫星轨道：从卫星起飞到卫星在轨道上运行工作， 一直 到卫星的寿命结束，卫星质心的运行轨迹，我们称之为人造地球卫星 轨道。很明显，人造地球卫星轨道分为如下三个部分：a、发射轨道：卫星从起飞到入轨，卫星质心的运动轨迹。我们 称之为发射轨道。b、入轨点：卫星进入运行轨道称为入轨，进入运行轨道的初始 点，我们称之为入轨点。c、运行轨道：卫星入轨后开始运行工作，一直到工作寿命结束， 卫星质心的运动轨迹我们称之为运行轨道。地月转移轨道：从月球探测器通过不断加速、脱离地球引力、飞 向月球开始，至U被月球引力捕获、近月制动为止的轨道段。环月轨道：顾名思义，“环”为环绕：月”为月球，意为航天器环绕 月球飞行的轨道。5、拉格朗日点指受两大物体引力作用下，能够使小物体稳定的点。一个小物体 在两个大物体的引力作用下在空间中的一点， 在该点处，小物体相对 于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于 1772年推导证明的。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星（见特洛伊群小行星）在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。 在 每个由两大天体构成的系统中，按推论有5个拉格朗日点，但只有两 个是稳定的，即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰， 仍然有保持 在原来位置处的倾向由于嫦娥四号探测器计划将选在月球背面着陆， 探测器需要通过 一颗中继卫星才能与地面通讯。按计划，中继星将在地月L2点附近执行中继任务。同时，中继星上也可以搭载用于执行科学探测任务的 有效载荷。5、月球背面月球因其自转周期与绕地球公转周期相同， 所以始终有一侧面对 地球，一侧背对地球即称为月球背面（Far side）。人类之前的有人和无人月表着陆探测都是在月球正面开展，目前还没有月球背面着陆探测。二、月表环境简介1、引力在之前的探索任务中，科学家测量到月球重力大约只有地球的六 分之一。2012年3月到5月，美国宇航局曾有研究，根据特定的探 测信息，绘制月球表面更详细的重力场构想图。2、温度由于月球上没有大气，再加上月面物质的热容量和导热率又很低 因而月球表面昼夜的温差很大。白天，在阳光垂直照射的地方温度高 达120摄氏度；夜晚，温度可降低到零下 180摄氏度。3、真空据美国阿波罗12、14、15号飞船搭载的设备在月表直接测量结 果，月球表面为超高真空环境，白天的真空度约为10-8Pa，夜晚达到 10-10Pa。4、辐射辐射环境可以导致航天器材料或器件性能下降或功能故障，也可导致生物组织机能损伤，是人类航天面临的主要威胁之一。探测、掌 握即将进入空间的辐射环境是免受辐射灾害的关键环节。由于月球没有内禀磁场，也没有稠密的大气层，银河系的宇宙线 和太阳高能粒子可以直接轰击到月球表面，甚至深入月球岩石层，从而产生复杂的次级辐射粒子、溅射和反射粒子，这使得月球附近带电 粒子辐射环境较行星际宇宙线环境背景更佳恶劣。同时，月球除80%的时间暴露于太阳风中外，其它时间则位于地球磁层磁尾处， 处于地 球磁场保护下，更增加了月球附近空间辐射环境的复杂性。5、磁场月球磁场的性质可以为月球内部构造研究提供重要的依据，因而备受月球科学家们的关注。月球现在没有全球性的偶极磁场。然而， 在采集回来的月球岩石样品中却发现月岩具有天然的剩余磁化组分， 表明月球在历史上可能曾经有过一个全球性的磁场。根据美国阿波罗12、14、15、16号等飞船携带的探测仪器测量 情况看，月球的局地磁场和区域磁场的强度存在显著变化，现场测量值从几nT至几百nT不等。6、地月距离月球离地球近地点距离为 35.7万千米；距离地球最远的远地点 距离为40.6万千米。地球到月球的平均距离是 384,400千米，目前 研究发现，月球将会越来越远离地球，每年大约远离 3.8厘米左右。7、月球昼夜周期月球的自转周期为27.3个地球日，即一个月昼或月夜约14个地 球日的时间。三、创意设计目标与需要考虑的要素1、具有一定的技术创新性我们希望您所提出的设备或探测任务在技术上具有一定的创新 性，即在目前所具有的资源和条件下，通过与以往不同的巧思，对现 有的技术或产品优化、组合，并经过改进或创造，获得更佳或更新的 效果。由于航天工程研制是复杂的系统工程，设备的研制不太可能通过“异想天开”或“零基础”的“创造”产们希望所提出的载荷建议具有 创新性的同时也具有可行性，即在利用现有的组织、流程、模式、经 验、资源等等条件的基础上，经过科学合理的改进和创新，按要求实 现设备的研制。2、具有一定的科普价值与意义所建议的科学探测任务应具有一定的科学普及价值，即能够有助于以浅显的、让公众易于理解、接受和参与的方式，很好地向普通大 众介绍自然科学和社会科学知识、 推广科学技术的应用、倡导科学方 法、传播科学思想、弘扬科学精神。3、具有工程可实现性为了抓住目前探月工程特定的机遇，嫦娥四号任务需要在很短的 周期里完成研制任务，所以需要所建议的有效载荷设备具有一定的成 熟度和实践经验，能够按照工程系统的安排，完成各个阶段的研制任 务，最终按计划搭载飞行，到达预定区域，开展预定的探测工作。按照现有的航天器研制基础，为了实现一项科学探测任务，在仪 器的设计方面，首先要考虑飞行和在轨工作过程的环境适应性。 在从 地面到月球的征途上，着陆器、巡视器和中继星都要经历从地面环境 向失重、高真空、强辐射、超低温等环境的转换，对有效载荷设备自 身生存和工作能力提出更高的要求。 特别是在月球表面，昼夜温差很 大而且探测器平台在月夜进行休眠模式，不能供电保温，需要载荷 仪器自身具有热控措施。除此以外，在星上/器上资源非常有限的条件下，在有效载荷设 备的设计中要特别注重小型化、轻量化和低功耗。目前平台上的能够 供新设备的安装面已非常有限，所建议的载荷设备的体型包络应该尽 量小；质量应该控制在3公斤以内；功耗指标将由有效载荷分系统经 过对不同工作模式进行分析后统筹分配，通常一台设备的功耗应该控 制在几瓦到十几瓦。四、载荷建议约束条件载荷的创意设计和实现，必然受到所处环境包括太空环境、月球 表面环境的影响，也必然受到所搭载的探测器的带载能力的限制。 因 此，创意设计建议考虑的约束条件为：1、重量：单台工作载荷或者联合工作载荷组的总重量不超过3kg。2、真空：能够耐受真空环境，且可以在真空环境下工作。3、温度：短期工作载荷可耐受-80 C+80 C温度环境。需要过 月夜的长期工作载荷可耐受-180 C+80 C温度环境。4、体积：载荷体积的约束条件随安装位置的不同而变化，在此 不做特殊规定。5、功率：载荷工作功率应尽可能控制在 20W以内。五、创意设计文档格式月球探测载荷创意设计建议书项目名称：项目负责人： 日期：目 录1创意来源2探测或演示目标3初步创意方案3.1 XXX设备组成3.2 XXX探测原理3.3 XXX安装方式3.4 XXX工作模式3.5与探测器平台接口要求（可选）供电接口通讯接口机械接口热接口4项目创新性5科学或科普意义