Chang'e 3 (kompendium)

[Scorus]

WPROWADZENIE

Chang'e 3 (CE-3) jest pierwszym chińskim lądownikiem księżycowym, stanowiącym drugi etap chińskiego programu księżycowego (China Lunar Exploration Program - CLEP). Misja ma przede wszystkim zadania inżynieryjne. Zaliczają się do nich: opracowanie i przetestowanie szeregu technologii i procedur pozwalających na miękkie lądowanie na Księżycu oraz dostarczenie na niego łazika (autonomicznego działania sondy podczas lotu, nawigacji autonomicznej podczas lądowania, nowatorskiego systemu kontroli temperatury, metody miękkiego lądowania na Księżycu, oraz zdalnego operowania sondą na powierzchni Księżyca) w celu podniesienia poziomu technologii kosmicznych w przemyśle chińskim; samodzielne zbudowanie w pełni funkcjonalnej sondy kosmicznej umożliwiającej badania powierzchni innego ciała niebieskiego; oraz zbudowanie lub usprawnienie infrastruktury naziemnej pozwalającej na prowadzenie złożonych misji kosmicznych poza orbitą okołoziemską (sieci komunikacyjnej, systemu zarządzania danymi, oraz infrastruktury związanej ze starem). Ponadto lądownik pozwala na wykonanie niewielkiego programu naukowego. Do jego zasadniczych celów zaliczają: określenie topografii i geomorfologii miejsca lądowania oraz struktury regolitu; wykonanie globalnych obserwacji plazmosfery Ziemi; oraz wykonanie obserwacji astronomicznych w zakresie ultrafioletu.

Łazik umożliwia przetestowanie technologii związanych z poruszaniem się na powierzchni ciała niebieskiego, w tym technik sterowania zdalnego, unikania przeszkód, oraz planowania kolejnych czynności na podstawie uzyskiwanych danych. Do jego celów naukowych zaliczają się: scharakteryzowanie geomorfologii terenu w miejscu lądowania oraz faktury i struktury regolitu; scharakteryzowanie budowy geologicznej warstw podpowierzchniowych wzdłuż trasy jazdy; oraz określenie składu mineralnego i pierwiastkowego skał i regolitu.

Misja jest zarządzana przez Narodową Administrację Badań Naukowych, Rozwoju Technologii i Przemysły dla Sektora Obronnego (State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence - SASTIND). Głównym konstruktorem sondy jest Chińska Akademia Technologii Kosmicznych (China Academy of Space Technology - CAST) wchodząca w skład Korporacji Badań Naukowych i Technologii Aerokosmicznych (China Aerospace Science and Technology Corporation - CASC). Za zaprojektowanie i rozwój sondy jest odpowiedzialny Instytut Inżynierii Systemów Aerokosmicznych w Szanghaju (Shanghai Aerospace System Engineering Institute) na mocy kontraktu z CASC.

Nazwa misji wywodzi się z chińskiej mitologii, w której Chang'e jest boginią Księżyca. Nazwa łazika Yutu (Jadeitowy Królik) została zaczerpnięta również z tego mitu. Yutu jest w nim towarzyszem bogini Chang'e.

[Scorus]

LĄDOWNIK

KONSTRUKCJA

Konstrukcja sondy Chang'e 3 opiera się na nowym busie, zaprojektowanym z myślą o wykonywaniu misji poza orbitą Ziemi o różnorodnym charakterze, zarówno orbitalnych jak i powierzchniowych. W stosunku do wcześniejszych konstrukcji chińskich jest on nowy w 80%. Całkowita masa startowa sondy (lądownika i łazika Yutu) wynosi  3780 kg.

Lądownik Chang'e 3 (Lunar Soft-Landing Vehicle - LLV, Chang'e 3 Lander) ma masę bez paliwa wynoszącą około 1220 kg. Masa w chwili lądowania była szacowana przed misją na 1242-1350 kg. Lądownik ma kształt graniastosłupa ośmiokątnego. Zasadnicza konstrukcja sondy ma szerokość 2.5 metra, długość przekątnej 3.35 m i wysokość 1.24 m. Jest wyposażona w cztery podpory o  rozpiętości 4.760 m i wysokości (od podstawy do miejsca przyłączenia do lądownika) 1.284 m. Odległość pomiędzy dolnym panelem konstrukcji lądownika a podstawami podpór (w pionie) wynosi 0.834 m. Całkowita wysokość lądownika wynosi 3.3 m.

[Scorus]

Zasadnicza konstrukcja mechaniczna lądownika jest złożona z ośmiokątnego panelu górnego, ośmiokątnego panelu dolnego oraz serii paneli bocznych, narożnych i wewnętrznych. Rdzeń paneli jest wykonanych ze stopu aluminium. Ma strukturę plastra miodu. Ich powierzchnie zewnętrze są utworzone z arkuszy zbudowanych z włókna węglowego. W stosunku do wcześniejszych chińskich statków kosmicznych jest to konstrukcja nowa.

[Scorus]

W panelu dolnym znajduje się okrągły otwór przez który wystaje dysza silnika głównego. Jest on otoczony pierścieniem łączącym z górnym stopniem rakiety. Pierścień jest wykonany ze stopu aluminium 2A14T6. Ma średnicę 1910 mm i wysokości 200 mm. Jest do niego przymocowana osłona termiczna dyszy silnika głównego.

[Scorus]

Ściany boczne w osiach -Z, -Y i +Y są złożone z pojedynczych, prostokątnych paneli zewnętrznych. Ściana w osi +Z jest zbudowana z krótszego panelu bocznego oraz położonych po jego obu stronach (+Z+Y i +Z-Y) krótkich paneli uzupełniających. Na nich osadzone są dwa cylindryczne zbiorniki gazu podnoszącego ciśnienie w systemie napędowym. Są one przymocowane do paneli za pomocą kołnierzy w części górnej i dolnej. Rogi konstrukcji są złożone  z pojedynczych, krótkich paneli narożnych ( +Y+Z, -Y+Z, +Y-Z i -Y-Z).

[Scorus]

Wnętrze konstrukcji jest podzielone na cztery komory przez cztery panele wewnętrzne w kształcie deltoidów (-Z, +Z, -Y i +Y). Zapewniają one sztywność konstrukcji, rozpraszają naprężenia oraz zapewniają powierzchnie montażowe dla różnorodnych komponentów sondy. Krótkie, dolne krawędzie tych paneli są połączone panelem dolnym. Wierzchołki dolne tych paneli są zamocowane do pierścienia łączącego z górnym stopniem rakiety. Służy do tego symetryczny, prostopadłościenny łącznik wykonany ze stopu aluminium. Jest on złożony z dwóch połówek, każda z nich jest przymocowana za pomocą 3 nitów i kleju do panelu oraz 5 śrub M6 do łącznika. Długie krawędzie boczne paneli wewnętrznych są przymocowane do listew na odpowiednich panelach bocznych, w ich środkowych częściach. Służą do tego trzy łączniki, na dole, na górze i po środku każdej krawędzi.  Długie krawędzie górne paneli wewnętrznych łączą się z zewnętrznym panelem górnym. Wierzchołki górne paneli wewnętrznych są przyłączone do centralnego mocowania o kształcie cylindrycznym za pomocą śrub (7 sztuk na każdy panel) i kleju.

[Scorus]

W komorach utworzonych przez panele wewnętrzne znajdują się dwa zbiorniki paliwa oraz dwa zbiorniki utleniacza, zajmujące prawie całą przestrzeń we wnętrzu zasadniczej konstytucji lądownika. Ponieważ sonda musiała posiadać bardzo dużą ilość paliwa, ich ulokowanie było jednym z głównych problemów konstrukcyjnych. Zastosowana konfiguracja płaska, w której są one umieszczone w jednej płaszczyźnie a nie w centralnym cylindrze zapewniła większą stabilność pojazdu podczas lądowania. U dołu zbiorniki są połączone za pomocą krótkich belek z pierścieniem łączącym z górnym stopniem rakiety. Od góry łączą się za pomocą belek z centralnym mocowaniem paneli wewnętrznych oraz mocowaniem łączącym panele wewnętrzne i boczne. Służą do tego belki przymocowane na środku zbiorników. Każdy zbiornik posiada jedną belkę łączącą z łącznikiem centralnym oraz dwie z łącznikami bocznymi. Silnik główny znajduje się w przestrzeni w centrum konstrukcji, utworzonej przez panele wewnętrzne dzięki ich deltidalnemu kształtowi. Jest zamocowany na łączniku panelu wewnętrznych za pomocą 8 śrub. W części dolnej jest przymocowany do kołnierza znajdującego się na panelu dolnym. Wzdłuż paneli wewnętrznych i bocznych biegną linie paliwowe oraz kable łączące poszczególne systemy.

[Scorus]

W czasie startu naprężenia pionowe wywoływane przez zbiorniki paliwa o dużej masie są przenoszone przez ich belki mocujące na pierścień łączący z górnym stopniem rakiety i ostatecznie trafiają na stopień górny. Naprężenia pionowe wywoływane przez łazik o masie 136 kg są przenoszone przez panele boczne na panel dolny i ostatecznie również przechodzą na pierścień łączący. Naprężenia poziomie wywoływane przez zbiorniki są przenoszone bezpośrednio na pierścień łączący. W czasie lotu transkiężycowego naprężenia są przenoszone w taki sam sposób.

W czasie lądowania naprężenia pionowe są przenoszone przez główny amortyzator podpór lądownika, a następnie rozchodzą się poprzez amortyzatory pomocnicze na panel dolny. Naprężenia poziomie, wywoływane przez zbiorniki paliwa (mniejsze niż  w czasie startu na skutek zużycia paliwa) są przenoszone na pierścień łączący. Następnie trafiają na podpory lądownika i finalnie są rozpraszane na powierzchni Księżyca.

[Scorus]

Elektronika lądownika znajduje się w trzech prostopadłościennych przedziałach przymocowanych do paneli bocznych, na ścianach -Z, +Y i -Y. Każdy przedział składa się z panelu dolnego, panelu górnego oraz czterech paneli bocznych. Jednostka -Y jest mniejsza od pozostałych. Jest do niej przymocowany przedział z teleskopem LUT o analogicznej konstrukcji. Panele przedziałów elektroniki są wykonane ze stopu aluminium. Mają strukturę plastra miodu, ich powierzchnie zewnętrzne również są wykonane z aluminium, co wiąże się z konieczności przenoszenia ciepła. Przedziały elektroniki są połączone z pobliskimi radiatorami oraz radioizotopowymi jednostkami grzewczymi zestawem kapilar cieplnych.

[Scorus]

System buforujący uderzenie w powierzchnię jest złożony z czterech podpór rozlokowanych w dolnej części lądownika. Pozwalają one na zamortyzowanie wstrząsu podczas lądowania, w trakcie którego pojazd posiada około 10 000 J energii kinetycznej. Jest ona przenoszona na powierzchnię Księżyca. Ponadto system ten gwarantuje stabilność podczas lądowania oraz utrzymywanie niezmiennej orientacji przestrzennej lądownika po nim. Posiada też sensory wykrywające uderzenie w powierzchnię i aktywujące automatyczne procedury przewidziane do wykonania po osiągnięciu powierzchni Księżyca, np. otworzenie paneli słonecznych. W czasie startu podpory były zgięte ku dołowi. Rozpostarto je po wejściu na trajektorię translunarną. Podpory składają się z czterech zasadniczych części: pionowego amortyzatora głównego, dwóch poziomych amortyzatorów pomocniczych oraz talerzowatej stopy łączącej się z amortyzatorem głównym. Umożliwiają złagodzenie uderzenia w grunt z szybkością pionową nie większą niż 1 m/s i poziomą nie większą niż 3.8 m/s.

[Scorus]

Amortyzator główny jest zasadniczą, pionową podporą lądownika. Jest to główny element absorbujący wstrząs podczas lądowania a następnie stabilnie utrzymujący wagę lądownika na powierzchni. Jest on połączony z zasadniczą strukturą lądownika poprzez łącznik uniwersalny za pośrednictwem układu łączącego, złożonego z trzech małych paneli trójkątnych (pionowego i poziomego) przyłączonych za pomocą listew do paneli bocznych -Z, +Z, -Y i +Y. W stosunku do kierunku pionowego amortyzatory te tworzą kąt 30 stopni. Amortyzator główny składa się z pierścienia hamującego oraz tuby centralnej. Elementy te znajdują się w cylindrycznej aluminiowej osłonie zewnętrznej o strukturze plastra miodu. Tuba centralna łączy się ze stopą poprzez łącznik sferyczny.

[Scorus]

Stopa stanowi bezpośredni punkt oparcia lądownika na powierzchni, zapobiega poślizgowi w trackie lądowania, a także dostarcza sygnału potwierdzającego lądowanie. Ma kształt okrągły. Jest złożona z pojedynczego elementu o wywiniętych brzegach, z kołnierzem mocującym usytuowanym w części centralnej. Pozwala on na przyłączenie końcówki amortyzatora głównego. Ponadto w każdej stopie umieszczono po trzy sondy wykrywające moment lądowania. Do potwierdzenia lądowania i automatycznego rozpoczęcia rekonfiguracji lądownika na powierzchni wystarczy sygnał tylko z jednej z nich.

[Scorus]

Amortyzatory pomocnicze są dodatkowymi elementami przenoszącymi naprężenia poziome w trakcie lądowania. Są połączonej z jednej strony z amortyzatorem głównym za pomocą łącznika sferycznego a z drugiej z panelem dolnym lądownika, za pomocą łącznika uniwersalnego. W skład każdego amortyzatora wchodzą dwie tuby centralne połączone łożyskiem kulkowym. Tuba bliższa jest otoczona sprężyną rozciąganą w czasie rozkładania podpory. Koniec tuby bliższej jest połączony z mechanizmem znoszącym kompresję tego systemu podczas lądownia. Tuba ta jest ponadto usztywniona prętami wykonanymi z tworzywa sztucznego. Całość jest otoczona cylindryczną, aluminiową osłoną zewnętrzną o strukturze plastra miodu. Jeden z amortyzatorów pomocniczych przy każdej podeprze jest tzw. amortyzatorem wielofunkcyjnym. Ma on najbardziej złożoną konstrukcję, ponieważ przenosi większą część naprężeń. Zawiera ponadto układ odchylający podporę po wejściu na orbitę. Podczas rozkładania podpór zwolnienie blokady sprawia, że obie tuby centralne przestają być połączone w sposób sztywny, a amortyzator jest rozciągany przez otaczającą je sprężynę. Po osiągnięciu odpowiedniej pozycji tuby są automatycznie blokowane a cała podpora zostaje odgięta od boku lądownika. Drugi amortyzator pomocniczy jest nazywany amortyzatorem jednofunkcyjnym. Przenosi on znacznie mniejszą część naprężeń, a jego budowa jest prostsza.

[Scorus]

Na panelu górnym lądownika znajduje się układ unieruchamiający łazik Yutu, złożony z dwóch listew z odpowiednimi klamrami. Na panelu bocznym +Z znajdują się natomiast dwie rampy zjazdowe dla łazika. Każda z nich składa się z części bliższej oraz części dalszej. Są one połączone mechanizmem zawiasowym. W czasie startu, lotu transkiężycowego i lądowania rampy są złożone na panelu bocznym. Podczas zjazdu łazika część dalsza ramp jest prostowana tak, że tworzy kąt prosty z panelem bocznym. Następnie łazik najeżdża na nią. W dalszej kolejności od panelu bocznego odchylana jest część bliższa, dzięki czemu część dalsza wraz z łazikiem jest opuszczana w dół, a jej lekko zagięte końce opierają się na gruncie. Ostatecznie łazik zjeżdża na powierzchnię a rapy są pozostawiane w pozycji rozłożonej.

[Scorus]

Blisko bazy łazika Yutu znajduje się maszt kamery do obrazowania terenu. W czasie lotu i lądowania był on złożony na panelu górnym, wzdłuż blokad łazika. Został rozpostarty po zwolnieniu łazika. Ma postać prostej cienkościennej tuby. Na jej szczycie znajduje się montaż kamery Terrain Camera umieszczony na układzie obracającym i pochylającym. Może on obracać się o 360 stopni oraz pochylać w pionie w górę i w dół o 120 stopnie. Tym samym kamera może uzyskać pełną panoramę otoczenia jak również fotografować obiekty położone blisko lądownika oraz niebo. Ta ostatnia możliwość pozwala na uzyskanie obrazów Ziemi widzianej z perspektywy powierzchni Księżyca. Cały maszt jest bardzo lekki, ma masę tylko 2.8 kg. Jest wykonany z aluminium, stali nierdzewnej i tytanu. Kształt i grubość każdego elementu została zoptymalizowana pod kątem jak największego zredukowania masy systemu.