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嫦娥四号探测器推进系统设计特点与验证

魏彦祥郭尚群赵京曹伟许映乔

(1上海空间推进研究所，上海空间发动机工程技术研究中心，上海201112)

(2北京空间飞行器总体设计部，北京100094)

嫦娥四号探测器在2018年12月8日从西昌卫星发射中心发射，2019年1月3日在月球背面成功软着陆，随后开展了月面勘查和科学探测，探测任务取得了圆满成功。嫦娥四号探测器推进系统为探测器提供地月转移轨道飞行、环月轨道飞行和动力下降飞行过程的姿态控制和轨道控制推力，为探测器月球捕获减速和软着陆月球背面提供精准推力。推进系统从探测器入轨开始到软着陆月面，全程输出高精度的推力，为嫦娥四号任务圆满成功提供了重要保证。

根据嫦娥三号探测器飞行试验结果和技术发展，嫦娥四号探测器推进系统在发动机推力精确控制和精确变推力控制等方面进行了优化设计[1-2]，这些设计技术获得了地面试验和在轨飞行的充分验证，可用于其他航天器。

推进系统设计

总体设计方案

嫦娥四号探测器采用双组元推进剂恒压挤压式姿态、轨道统一控制推进系统，由气瓶、贮箱和发动机等组件组成。探测器采用“十字”隔板构型，4只推进剂贮箱对称布置在“十字”隔板之间，1台变推力发动机位于中心，2只气瓶位于侧板外侧，姿态控制发动机分布在外部斜面板上。贮箱采用两端固定方式，底端与过渡承力板以法兰方式轴向固定，顶端采用3根侧拉杆与“十字”隔板径向固定，气瓶采用底支架和箍带方式安装，气液路管路、阀门、总装通类等沿总体“十字”隔板和底板布置。

1台7500N变推力发动机为探测器提供近月制动及着陆下降过程中变轨、减速、悬停的轨道控制推力，16台150N推力器和12台10N推力器分为2个功能相同的分支，为探测器在轨飞行和着陆下降过程提供姿态控制推力，为中途修正、环月轨道调整、环月降轨提供轨道控制推力。嫦娥四号探测器推进系统的系统原理和结构构型如图1所示。

图1推进系统的系统原理和结构构型

功能组成

嫦娥四号探测器推进系统分为氦气增压部分、推进剂输送部分、推进剂利用部分和驱动控制电路部分4个功能模块。其中：氦气增压部分由气瓶、电爆阀、减压阀、气路自锁阀、安全阀及管路等组成，提供贮箱工作时的挤压气体。推进剂输送部分由贮箱、液路自锁阀及管路等组成，用于贮存和供应发动机工作时所需的推进剂。推进剂利用部分由7500N变推力发动机、150N推力器及10N推力器组成，提供探测器飞行过程轨道控制和姿态控制的动力。驱动控制电路部分由推进线路盒和推进配电盒组成，接收控制系统的指令，驱动推进系统的阀门、电机等负载运动，并采集遥测参数。

工作模式

嫦娥四号探测器飞行分为5个阶段，推进系统对应不同的工作模式。

发射段：推进系统在适应各种力学环境的同时，按照飞行程序要求完成推进阀门(包括电磁阀和自锁阀)加电和姿态控制管路真空排气。

地月转移轨道飞行段：器箭分离后推进系统首先进行贮箱增压和姿态控制管路充填，建立姿态控制推力器的工作状态，姿态控制推力器点火工作完成消初偏。推进系统完成轨道控制管路真空排气和轨道控制管路充填，建立探测器轨道控制工作状态。推进系统使用8台150N推力器进行1次中途修正轨道调

整，然后在12月12日7500N发动机点火工作323s，完成减速近月制动，探测器被月球成功捕获，准确进入200km×400km的环月轨道。

环月飞行段：推进系统在环月飞行段完成环月轨道调整和环月降轨工作，使用150N推力器完成变轨。此后，探测器准确进入15km×100km的环月轨

道，为动力下降作好准备。

动力下降段：7500N发动机先在额定推力7500N工况下点火工作进行主减速，接着以变推力模式连续工作，依次完成快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段工作，动力下降687s后在月球背面软着陆。

月面工作段：探测器在月面着陆后，推进系统采用4台150N推力器点火工作进行推进剂钝化。推进剂钝化完成后打开推进系统的气路钝化电爆阀，排空气瓶和贮箱内的氦气，完成全部钝化工作。钝化后推进系统完成全部飞行任

务，最后完成断电处理。

推进系统设计特点分析

嫦娥四号探测器推进系统充分继承了嫦娥三号探测器推进系统的成熟技术和成熟方案，同时根据嫦娥三号探测器飞行试验过程和技术发展，进行了优化和改进设计，具有如下特点。

发动机推力精确控制和高精度变推力设计

因为月球背面地形崎岖，布满高山和撞击坑，为实现嫦娥四号探测器精准着陆月面，推进系统必须提供精确的控制推力和高精度的变推力输出。为此，推进系统设计采用减压阀高精度调试、飞行产品管路系统地面测试和流阻调节、7500N发动机地