[科普中国]-克莱门汀探测器

简介

“克莱门汀”是美国前弹道导弹防御组织（BMDO）和美国航宇局联合开展的同名系列技术验证项目中的首项任务，又名“深空计划科学实验”（DSPSE）和“克莱门汀”1（另一项任务“克莱门汀”2拟在做小行星飞越时向小行星发射基于反导拦截器的撞击器，后被取消）。

美国战略防御倡议局和宇航局合作的克莱门汀探测器是新型月球探测器，也是美国自1972年阿波罗登月计划结束后的20多年来发射的第一个月球探测器，其主要任务是试验先进的轻型军用成像敏感器等共23项新技术；绘制月球表面数字地形图，以及对近地小行星——地理星进行科学考察。

克莱门汀探测器于1994年1月25日发射，2月6日进入环月轨道，最终运行于月球极轨道，从而能对月球全球进行测绘。探测器共发回了180万幅图片，探测数据表明，月球上有水冰。由于探测器上计算机出现故障，1994年5月7日探测器的肼燃料耗尽，探测器最终未能完成探测地理星的任务。

克莱门汀探测器是一个军民两用航天器，同时也是按照美国航宇局快、好、省原则研制的现代小卫星的典范，实现了减少重量和体积、缩短研制周期以及降低成本的目标。其质量只有126公斤。1

探测器参数克莱门汀月球探测器重233kg，直径1.14 m，长1.88m，研制周期22个月，费用7000万美元。

以上四个指标和具有类似功能的探测器相比较：重量和体积减少1 ~ 2 倍，研制周期缩短2 、3 倍，成本下降3 ~ 4 倍。此外探测器采用许多当今最先进技术和部件，例如镍氢电池、砷化稼太阳能电池、低成本轻型反作用飞轮、32位高压缩比指令处理器、ZG固态数据记录器、轻型高强度复合材料、激光陀螺和光纤陀螺以及目前最先进各种不同波长光学敏感器的有效载荷。2

装载仪器“克莱门汀”装载有下列仪器：

（1）“紫外/可见光相机”：这种中等分辨率相机采用CCD技术，工作在近紫外和可见光谱段，与六位滤光轮结合可对月球进行矿物学研究。

（2）“近红外相机”：该相机能以中等分辨率在1～3微米的波长范围内进行成像，与六位滤光轮结合可用于矿物学研究。

（3）“高分辨率相机”：该相机工作在可见光波长上，采用CCD技术，可与图像增强器和六位滤光轮配合使用。它能不受探测器运动的影响，提供分辨率更高的图像。

（4）“激光雷达系统”：该系统用于在月球测绘轨道上进行高度测量。

（5）“长波红外相机”：这种轻型相机工作在热红外谱段，用于测量月球的热辐射。

（6）“星跟踪器相机”：这种星跟踪器有两台，可通过比对星场图像和所带的星图来为探测器提供惯性基准。

发射目的发射这颗轻型月球探测器有两个主要的目的：其一，试验最先进轻型SDI成像敏感器和技术，旨在改进美国未来国防卫星和导弹技术；其二，绘制月球表面数字地形图和对近地小行星一地理星(Geographos) 进行科学考察。为了满足上述飞行任务，美国军方和NASA共同研制了一个技术先进、成本低和重量轻的姿态确定和控制系统。这系统要满足整个飞行过程具有四种不同轨道(地球轨道，地-月转移轨道，月球轨道和近地小行星轨道)，六种制导模式和多种控制结构的要求，系统重量仅有13kg，功耗42W，而姿态控制精度达到0.03°。2

姿态确定和姿控系统根据月球探测器的飞行任务和对姿态控制的要求，美国海军研究实验中心研制一套姿态确定和控制系统，工作寿命为2年。控制系统包括四项主要内容：姿态确定、自旋稳定、三轴稳定、控制硬件选择。

姿态确定为满足变轨固体发动机点火姿态需要，要求地球轨道姿态测量范围为3°，精度为0.25°。由于需要成像和绘制月球地图，在月球轨道的姿态测量精度要求为0.03°。根据这些要求和飞行轨道的特点，姿态敏感器选择星跟踪器和陀螺组合方案。采用高精度狭视场星跟踪器和高精度低漂移陀螺测量技术。2

姿态确定是由具有冗余的两套惯性测量装置(IMU) 组成的。第一套IMU-1有微型环状激光陀螺，第二套IMU-2 有光纤陀螺。惯性测量装置测出飞行器在各轴线加速度和角加速度；然后经过积分和数据处理变为所需的轨道和姿态信息。由于陀螺有漂移，通过高精度星跟踪器来修正，从而得到高精度姿量结果。这里采用的激光陀螺，重量仅为通常空间所用陀螺1/10。采用的光纤陀螺功耗低，由于没有运动部件，不产生振动，敏感器噪声低，这为光学成像和绘制月球地图创造良好的工作条件。

自旋稳定探测器在地-月轨道转移阶段采用自旋稳定，共有四种自旋稳定模式。

（1）细长体自旋稳定，采用主动章动控制，确保章动角稳定在所要求范围内；

（2）自旋轴进动，用于控制自旋轴在所要求的指向精度内；

（3）自旋速度闭路控制，保证自旋轴转速；

（4）自旋速度开路控制，用于改变自旋转速，包括起旋和消旋。

这里最主要的是细长体自旋稳定。主动章动控制是通过惯性测量装置测出章动角，然后由垂直于自旋轴的两个推力为22.7N的推进器来抑制章动角的增长。推力大小和控制死区选择要适当。例如当选择推力过大和死区过小，将出现章动角过大的变化。

三轴稳定探测器三轴姿态稳定共有六种制导模式和两种控制结构模式。六种制72导模式是：地球指向、月球指向、星指向、惯性指向、星跟踪和末端制导(进入近地小行星轨道)。两种控制结构形式为：三轴喷气和三轴零动量反作用轮。所有六种制导模式的控制系统输入量随着模式不同而改变，但是输出量都是系列化，这些系列化输出量被送到喷气推进器或者反作用飞轮。

地球指向模式主要使探测器姿态指向地心或者所选定地面站，从而提高探测器天线增益。这种控制模式也可转换为月球指向。星指向模式是由敏感器测出星图，然后与存贮在计算机中的星历表进行辩识和对比，找出所要指向的星球并以它作姿态基准，然后进行星指向姿态控制。

其它制导控制模式，例如星跟踪、末端制导都是根据有效载荷敏感器要求，提供姿态基准，例如星光、地球、月球、近地小行星，然后进行姿态控制。2