月球极区水冰探测对揭示月球演化、支撑未来月球科研站建设至关重要. 然而, 通过现有遥感手段与返回样品难以精确获取其赋存形态、含量及来源. 嫦娥七号(Chang’E-7)飞跃器将搭载月壤水分子分析仪(LUWA), 首次对月球南极永久阴影区水冰开展就位探测. 本文分析了LUWA的组成、原理及其与水冰钻取装置协同实现“钻探采样－接样密封－加热分析”的探测过程. 为确保载荷在轨实现高灵敏度、宽动态范围的水冰含量探测和高精度水同位素分析, 针对三个测水功能模块搭建了地面定标试验装置, 提出了定标方法; 围绕整机性能指标, 搭建了月壤水冰就位探测模拟试验平台, 模拟极区水冰的钻采、接样、密封、加热与分析全过程, 为在轨月壤水冰含量等数据反演提供重要支撑.

受现有遥感探测原理的固有局限, 月壤中水冰的真实赋存状态与精准含量仍无法直接判别, 亟须开展原位验证. 中国探月工程嫦娥七号任务计划在月球南极开展水冰探测, 由巡视器搭载的月壤挥发分测量仪通过微量取样装置实现月壤的原位定量采集. 月表工况的复杂性与不确定性易导致采样质量离散性较大, 而采样过程中机–壤温差及机械作用引发的水冰升华损失会进一步降低探测精度. 为保障挥发分测量仪探测数据的可靠性, 提出采样量和水冰损失定标方法, 采用气相沉积法制备月壤水冰模拟物, 并利用自研定标装置完成采样量定标试验. 初步结果表明, 不同粒径级配的月壤模拟物采样量存在显著差异, 后续将深入研究多因素耦合作用下月壤水冰采样的物理机理, 为嫦娥七号在轨数据的精准判读与科学解译提供高置信的物理响应参数谱.

为了解决某舱外载荷设备在轨运行时因温度波动导致频率稳定性和传递精度下降的问题, 提出一套以被动热控为主、主动热控为辅的高效热控方案. 方案采用单相液冷冷板作为主散热面, 10单元多层隔热组件进行全方位包覆, 并利用高导热材料实现高效热传导; 同时辅以加热片与TEC半导体陶瓷片进行精确控温. 通过有限元仿真分析高低温工况下的温度分布并进行优化设计, 将关键部件温度变化控制在±0.5 K以内. 地面常温热平衡实验和在轨数据结果表明, 该方案有效抑制了温度波动对载荷设备的干扰, 显著提升了设备整体温度均匀性, 使光电二极管等敏感器件工作于最佳温度范围(25～50℃), 舱外载荷温度敏感器件温度变化速率优于0.1 K·min^–1, 满足了高精度时频传输系统的在轨稳定性要求, 可为同类航天载荷设备热控设计提供重要参考.

嫦娥七号探测器将在月球南极区域的艾特肯盆地着陆, 开展月球南极月表环境的综合探测与研究. 其中月表尘埃探头将对极区撞击坑附近自然悬浮的尘埃粒径、速度以及累积质量通量等关键特性参数进行原位测量. 为实现高精度的科学探测, 开展了系统的地面定标试验. 其中粒径定标采用单颗粒自由落体方法, 结合中性滤波片等效测试方案, 实现了1～5000 µm粒径范围的覆盖. 试验结果显示, 粒径反演误差不超过17%. 速度定标通过自由落体颗粒在不同高度下的飞行时间测量, 测速误差在13%以内. 通量定标采用溶液滴定法获得了石英晶体微量天平的质量灵敏度, 三方向质量灵敏度均在10^–9 g·Hz^–1·cm^–2量级, 线性度良好, 同时建立了温度–频率修正曲线, 以支持在轨数据的归一化处理. 定标结果表明, 尘埃探头各项性能指标满足月球南极极端环境下的探测需求, 所建立的定标方法和反演模型为后续在轨科学数据的解译提供了可靠依据.

嫦娥七号搭载的测月雷达旨在探测月球次表层结构. 为确保探测数据的有效性, 并提升数据解译的准确性与一致性, 提出一套适用于航天级穿透雷达的系统定标方法, 包括全系统增益标定与系统传递函数标定等. 基于该方法, 对测月雷达进行系统定标, 明确其在轨运行的最优参数配置. 在此参数设置下, 雷达系统各项性能指标均达到设计要求: 低频通道与高频通道的系统增益分别为171.02 dB与169.70 dB, 分别满足400 m与40 m探测深度的需求. 所获取的接收时变增益曲线及系统传递函数经模拟月壤试验验证, 可为月面探测科学数据提供有效的校准基准. 该定标方案可为未来深空探测任务中的雷达系统校准提供技术参考与范式.

嫦娥七号任务轨道器拟搭载宽谱段红外光谱成像分析仪(Wide-band InfraRed Imaging Spectrometer, WIRIS), 将获取覆盖可见至长波红外(0.45～10 µm)的月球表面高光谱图像与热辐射信息, 为月球表面矿物成分识别、热环境与水/羟基探测等科学研究提供数据. 相比现有月球环绕光谱探测载荷, 为提升对硅酸盐矿物克里斯蒂安森特征(Christiansen Feature)、分子水等关键波段的定量反演能力, WIRIS在继承天问一号火星矿物光谱分析仪设计的基础上, 将高光谱成像谱段拓展至中长波红外(3.3～10 μm), 并通过同步温度测量, 有效降低了3 μm波段水/羟基特征反演中的热校正不确定性. 本文围绕WIRIS新拓展的中长波谱段定量化应用需求, 提出适应该波段的光谱、辐射与几何定标方法, 并结合实验数据分析了定标过程中的误差来源与不确定度. 研究结果可为WIRIS中长波红外数据的物理量反演及科学应用提供关键的技术支撑与方法基础.

材料凝固过程中的温场对其最终的组织与性能有着重要影响. 由于空间与地面环境下热对流的不同, 其传热特性存在一定差异, 从而导致材料实验炉内温场分布也存在差异. 这使得在地面获得的控温参数无法直接应用到空间实验中, 进而对空间与地面材料实验条件的对等性造成影响. 为获得空间传热特征, 构建立了一个空间站高温材料实验炉三维传热数值计算模型并进行合理简化, 对地面实验和空间实验进行了温场的仿真模拟, 得到样品盒温度分布, 分析了在空间微重力环境与地面重力环境下传热参数的变化, 得出与实验条件相似的传热规律. 研究结果可为基于高温柜材料实验炉地基实验结果预测其空间温场分布提供研究参考.

针对感应式磁强计线圈与前置放大电路间长电缆信号传输带来的性能影响问题, 首次建立感应线圈–电缆–前置放大电路的电路等效模型, 通过仿真分析与试验验证揭示电缆长度对传感器噪声频率分布的影响规律. 理论分析表明, 电缆对传感器灵敏度影响有限, 高频段(>1 kHz)噪声水平会随着电缆长度的增加而显著提高. 在以10～1000 Hz频带宽度, 30 fT·Hz^1/2 (1 kHz) 的噪声水平为目标的感应式磁强计样机基础上, 验证电缆长度变化时噪声的变化规律. 试验结果表明, 电缆长度由0 m增至30 m时, 噪声转折频点由7.5 kHz前移至2 kHz, 同时高频噪声(10 kHz)水平提升6倍. 研究发现, 电缆长度增加对感应式磁强计噪声影响较为显著, 具体表现为低频段噪声略有改善, 高频段噪声急剧恶化, 可以通过包含电缆参数的理论模型进行设计和预测. 本研究为空间探测感应式磁强计在长电缆应用场景下的工程实现提供了关键参数依据.

低能离子和低能电子探头作为嫦娥七号探测器着陆器月表环境探测系统的组成单机, 主要用于开展月表低能带电粒子就位探测, 为揭示太阳风与月表的相互作用与耦合机制, 研究月表空间环境微观结构的形成机理提供关键背景数据, 并为月球科研站的空间环境评估及保障提供科学支撑. 低能粒子和低能电子探头采用相同的传感器设计方案, 利用半球形静电分析器与非对称式静电偏转板实现对月表低能带电粒子的大视场和宽能量范围探测, 利用可变几何因子功能实现大通量动态范围. 采用地面标准等离子体束源对两台探头的性能进行详细定标. 定标结果显示, 低能离子低能电子探头可实现0.001～30 keV能量范围的等离子体探测, 能量分辨率优于15%, 通量探测范围可覆盖7个数量级, 探测视场为90°×360°, 角度分辨率优于15°×22.5°, 所有技术指标均满足任务要求.

嫦娥七号任务计划在月球南极部署中国首台自主研制的月震仪, 用于监测天然月震与陨石撞击等事件激发的振动信号, 并开展为期八年的科学探测. 为保障月震仪在月球极端环境下的测量精度与长期工作的稳定性, 需建立系统的定标方法, 以确保其关键参数与技术指标符合科学探测与数据反演的要求. 依据地面地震计入网技术标准, 结合月震仪的带宽、动态范围、震级测量范围等性能要求, 设计了涵盖幅频响应、灵敏度及其误差、自噪声、量程等关键指标的地面定标试验方案. 此外, 针对在轨运行需求, 设计了月面在轨自主定标方案, 并提出基于人工震源的月面定标方法. 研究构建了完整的月震仪功能与性能定标体系, 为月震仪从地面验证到在轨运行各阶段提供了系统的性能测试与评估依据, 为后续获取高精度月震数据并开展科学解析奠定了重要基础.