月面陨石坑对航天器落月探测的影响.docx
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月面陨石坑对航天器落月探测的影响
月面陨石坑对航天器落月探测的影响
摘要
陨石坑可以说是月球表面最为显著的地形特征，正是由于月球表面存在着大量形状，大小和深度都不一样陨石坑，所以才对探测器落月过程中的软着陆差生了一定的影响。
本文就是基于建立月面，月面陨石坑，粒子源，探测器等的物理模型，并使用mcnp软件模拟月面不同大小，不同形状，不同深度的陨石坑对于探测器落月过程中探测到的粒子的概率的不同，从而转化成高度的不同，并用此推断探测到的理论高度与实际存在陨石坑时的高度的比较。
从而探究陨石坑的存在对月球探测器落月过程中产生的高度的影响，并对月球探测器落月过程中产生的高度误判做出修正，从而使探测器能够更加平稳的在月面着陆。
为我国的探月工程尽一份力。
关键词：
陨石坑；探测器；mcnp；高度。
第一章引言
1.1探测器落月简介
近年来，随着我国综合国力的不断提升，我国对广袤的地外天体的兴趣越来越浓厚，在国家的大力支持和赞助下，我国的航天事业虽然起步较晚，但真正的属于取得后起之秀，近阶段取得了突飞猛进的成果。
随着我们国家近几年来神舟系列载人航天和嫦娥系列飞船的一次次发射成功，航天事业已经成为我国人民的除高铁和核电外的另一项骄傲。
每一次航天成功之后都会成为全社会共同议论的话题。
现阶段根据我国国情定下的我国的探月工程共包括“探测器绕月飞行，探测器稳稳的落在月面，探测器从月面返回地球”这三个步骤。
零七年十月二十四日和一零年十月月一日在西昌卫星发射中心分别发射的名为嫦娥一号探月卫星和嫦娥二号探月卫星的成功发射，标志着我国探月工程三步走计划中的第一步——即探测器绕月飞行的任务，已经圆满完成。
一三年十二月二日也是在西昌卫星发射中心成功发射的嫦娥三号探测器，成功地实现了飞船探测器在月球表面的软着陆，标志着我国探月工程三步走计划中的的第二步——即在月球表面软着陆的任务，已经圆满完成。
接下来我国将集中精力进行探月工程三步走中的的第三步从月球回归地球。
探测器落月过程是十分复杂的一项过程，软着陆过程中的技术难度也是十分高。
拿嫦娥三号探测器来说，嫦娥三号探测器的落月是从距离地面15千米开始的。
嫦娥三号探测器的落月过程大约共花费了一刻钟的时间，由“月兔”号月球探测车和月面着陆器以及落月相关器件等组成的嫦娥三号探测器依靠自身的自主调控以及地面控制中心的共同调控作用下，大约经过了以下六个阶段：
第一阶段主要为减缓探测器速度；第二阶段为探测器快速调整自身姿势状态，为顺利落月做准备；第三阶段为探测器高度逐渐缓慢的降低，逐渐接近月球表面；第四阶段为探测器停止降低高度，在自身动力装置作用下悬停在月空中；第五阶段为探测器主动躲避月面障碍物；最后一阶段是探测器在动力作用下缓缓减慢速度，并缓慢地落在月面，相对速度从时速6120公里逐渐接近0。
在嫦娥三号探测器距离月球表面高度大约为100米时，此时嫦娥三号暂时在自身动力装置作用下悬停在月空中，并利用探测器自身携带的粒子探测器对将要着陆的区域进行观测，以避开月面上的障碍物、选择最佳着陆点。
嫦娥三号探测器在离月球表面最后几米时在依靠自身携带动力，姿势调整等软着陆前期工作都达到要求后，最终4条着陆腿平稳缓慢地软着陆在月面上，并且此时嫦娥三号探测器四条腿上的触月信号显示正常，因此成功精准地软着陆在月球表面。
在探测器成功落月后接下来的一段时间里，“玉兔”号月球车通过一系列自我和地面控制中心的调控下慢慢的成功驶离嫦娥三号主着陆器，然后开始了为期大约三个月的科学探测考察任务。
在探测器落月后的两个周的月昼期间，嫦娥三号着陆器和“玉兔号”月球车相互配合，共同工作,通过观察，测量，采样等方式，获得了大量科学探测数据，并将这些数据成功传输给地面控制中心。
1.2mcnp简述
MCNP软件包是我们此次实验用到的主要软件，其全称为MonteCarloN-ParticleTransportCodeSystem，是由美国橡树岭国家实验室研制开发的通用中性粒子输运计算程序，它是基于蒙特卡罗（MonteCarlo简称MC）方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题的通用软件包，正是基于上述特性，因此此软件包可以应用于多个学科领域，应用范围十分广泛。
MonteCarlo（简称MC）方法是一种随机过程方法，它的机理并不是严格地去求解一些物理公式，而是通过模拟一个一个的单个粒子在介质中的随机运动的过程，然后再延伸到大量粒子的运动，之后再求得的大量粒子的运动过程，并将大量粒子的平均结果作为系统运营结果的近似值，最终会给出粒子系统在介质中输运的最后结果。
MCNP程序涉及面十分的广泛，究其主要原因关键是MCNP通过读入一个编好的后缀为.txt的文件来进行相关计算的，此输入文件是经过使用它的人员创建的，我们一般将此输入文件成为为INP。
此输入文件需要满足一定的条件，即必须要按照栅元卡片（card）的格式进行相关运算，同时还要指定描述空间问题的信息，软件包的编程具体包括以下类型：
第一步是空间描述说明几何体；第二步是几何体所使用的材料的描述和几何体交叉区域的选择估计；第三步是光子、电子以及中子这3种粒子源所处的在空间中的几何位置和三种粒子所具有的特性说明；第四步是实验中所用到的标记卡或是回答卡的类型；第五步是去除编程中出现的多余或者无用量，以提高计算效率，也就是要兼顾考虑编程的简单明了和程序运营的速率和正确率。
目前，MCNP以其灵活、通用的特点以及强大的编写和运营功能被广泛应用于辐射防护与环境中的各种射线测定、各种辐射屏蔽设计及其优化、医学，检测仪器的设计与可行性分析、反应堆的（次）临界装置的相关实验、核电站等的反应堆设计安全等学科领域，并得到了一致的赞同和好评。
但是，MCNP的应用领域还有很多很多，并不单单只局限于这些领域。
1.3本文工作
陨石坑可以说是月球表面最为显著的地形特征，正是由于月球表面存在着大量形状，大小深度都不一样陨石坑，所以才对探测器落月过程中的软着陆差生了一定的影响。
本文就是基于陨石坑大小、形状、深度等几何条件的不同对月球探测器落月过程产生不同的影响。
不同高度下，探测器粒子源发出的粒子射线发射到月面上，探测到的经反射后进入探测器的粒子概率不同。
不同高度情况下，探测到的粒子射线的强度是不同的，因此可以根据探测器探测到的粒子射线的概率的不同来反推探测器距离月表的距离。
然而由于陨石坑的存在，不同大小，不同形状，不同深度的陨石坑会对探测器探测到的高度，与实际高度存在一定的偏差。
图1.1陨石坑
本文就是基于建立月面，月面陨石坑，粒子源，探测器等的物理模型，并使用mcnp软件模拟月面不同大小，不同形状，不同深度的陨石坑对于探测器落月过程中探测到的粒子的概率的不同，从而转化成高度的不同，并用此推断高度与实际存在陨石坑时的高度的比较。
从而探究陨石坑的存在对月球探测器落月过程中产生的高度的影响，并对月球探测器落月过程中产生的高度误判做出修正，从而使探测器能够更加平稳的在月面着陆。
因此，我们首先建立了探测器落月工程中的物理模型，其中包括粒子源，粒子探测器，月面陨石坑，陨石坑等的物理建立。
模型建立之后我们掌握mcnp软件编程的学习，在掌握了mcnp软件的编程。
并且在有限的时间内使粒子源发射的粒子数目尽量达到最大，这样能消除偶然误差，探测到的离子的概率的精确度才更高，得到的数据才更有说服力。
然后分别在无陨石坑状态以及有陨石坑并且陨石坑的半径的大小和陨石坑深度不同的条件下分别得到粒子探测到反射过来的粒子射线的概率的不同。
然后根据所得到的无陨石坑状态下的数据，利用Origin软件模拟数据，并得到根据探测器离月面的高度与探测到粒子射线的概率的函数曲线，并且做出探测到粒子射线的概率与探测器离月面的高度的函数曲线，然后将在有陨石坑并且陨石坑的半径的大小和陨石坑深度不同的条件下得到粒子探测到反射过来的粒子射线的概率代入上面得到的函数。
求出理论上无陨石坑时的高度差，并求出其高度差。
并作出相关图形。
第二章探测器落月模型的建立
2.1建立模型
由于月球探测器落月过程中是在外太空即月球表面进行的，此实验直接操作的可能性不大，而且不提前模拟好月球探测器落月前遇到的各种环境，而直接发射的探测器的话，容易探测器无法顺利落月等失败。
我的导师邵剑雄教授和邹贤容老师所做的工作就是在嫦娥三号探测器软着陆月球表面时，探测观察探测器下方的月面环境及探测器离月面的高度。
我们知道，探测器在离月面较高的位置落月时会使得探测器的四条腿与月面的作用力过大，从而可能会使得探测器撞毁，探测器而离月面较近时可能没有足够的时间调整探测器的状态和位置，从而可能会使探测器并不是按照预定的平稳落在月面，甚至会产生倾斜着落月，此时可能会使探测器落月后月兔车正常从月球探测器里释放，从而无法进行后续的相关工作。
所以我们本次毕设工作所做的的第一步便是建立探测器落月的数学模型。
此模型须包括月面的模型，月球探测器的模型，探测器里又包括粒子发射源的模型和粒子探测器的模型。
根据实际情况与模拟情况的等的综合考虑，我们最后选择高为2米，长和宽都为10米的混凝土作为月面，月球探测器位于月面上表面正上方2.9米的位置，粒子发射源和粒子探测器位于月面探测器不相同的位置上，粒子发射源和粒子探测器上方是长和宽都为3米的铝板，此铝板的厚度仅为1.1厘米。
此铝板与下方的混凝土的中心重合。
在此基础上，我们在混凝土上表面开始挖一系列随半径和深度而变化的陨石坑，探究不同半径和深度的陨石坑对探测器落月的影响。
2.2学习mcnp软件包
由于探月是我国近阶段的的重要科研项目，也是国家投入大量资金和精力的项目，而且与探月的有关的技术很多都属于国家机密，所以牵涉到此类实验的相关项目都是保密的。
所以我们在运行程序的时候都是在保密电脑上运行的。
正是由于此试验都是在计算机上模拟的，而我们所用的模拟软件就是mcnp软件包，本实验的进行都是通过mcnp软件包模拟而进行的。
所以，在建立月球探测器落月模型之后，我们的工作便是初步学习mcnp软件包的用法。
MCNP的编程的输入文件是在文本文档里编写，保存时后缀为.txt文件。
在MCNP的编程里最为主要的一个便是由使用的人员编写的称之为INP文件，该文件包含了描述对象所必须的全部的输入信息。
此文本文件采用的是卡片结构，编写的每一行都代表了一张卡片，编写的程序是由一系列的卡片所组成的，对于任意一个所要描述的对象，都只占到所编写的INP全部输入卡片的一小部分。
表2.1MCNP曲面卡
编写MCNP输入文件的需要包括后面几个部分：
（1）信息块：
信息块位于输入文件的标题之前，其里面包含了MCNP的一些与程序运行的相关消息，信息块的结束时可以使用空格分隔符；
（2）初始运行的输入文件；（3）接续运行的输入文件；（4）卡片格式：
即为输入文件的格式，具体包括A.行输入格式B.列输入格式。
但需要注意的是同一张卡片是不允许同时用行格式和列格式输入的；（5）粒子标识符：
在编程输入卡片时，需要标记粒子的种类，以区别不同的粒子，粒子的种类包括：
中子、光子和电子。
其编程时取其英语简写，表示为N、P和E；（6）缺省：
为了编程的简洁化，MCNP的许多输入参数在给定参数值之后，并不是每次都需要给定参数的值，因此使用人员不需要每次都给出各个输入参量的值。
（7）输入错误信息：
如果编程者在编写MCNP的输入文件的时候出现了错误，则MCNP会检测出错误，并提醒编程者出现错误，同时MCNP将不会进行粒子输运的相关计算，程序工作停止；（8）检查几何错误：
编程者在编写MCNP的输入文件的时候出现了错误，此时有可能MCNP无法查出错误的来源，或者无法正确地检查出错误性质。
此时需要编程者仔细观察考虑，寻找错误的性质和来源。
2.3编写程序
在上述完成mcnp软件包的学习的基础上，我们编写了mcnp的程序，下面是我们此次实验所编的程序，我简单介绍下：
c
11-3.67-12-3
22-1.36-4
30-5#1#2#6
405
63-2.7-6
1c/x-1.5-10.91.5
2px-44.55
3px-38.35
4rpp-500500-490-290-500500
5sy-3902000
6rpp-15015001.1-150150
modep
imp:
p11101
m1110231531271
m28000-0.499841000-0.00896000-0.019511000-0.013412000-0.01968&
14000-0.215415000-0.0003916000-0.0031217000-0.0005619000-0.0118&
13000-0.044420000-0.13922000-0.0026425000-0.0002426000-0.02009
m3130001
sdefpar=2pos=41-2010erg=0.662vec=0-10dir=d1
si1-10.57361
sp100.78680.2132
sb1001
f1:
p123
nps100000000
第1行：
c
此行只是一个注释性质的语句，此时的c没有任何实际作用。
第2行：
11-3.67-12-3
里面的第1个1指的是这个Cell的编号；接下来的那个1表示此Cell代表的几何体所包含的物质是由m1所定义的物质，-3.67表示该物质的密度为3.67g/cm3，前面的负数，表示的是国际单位中的密度g/cm3。
我们一般用这种定义方法。
-12-3表示的是该Cell的空间几何结构即：
该Cell是由编号为1、2、3的3个面围成的几何结构。
众所周知，一个平面把空间分成两个部分，这两个部分可以分别用带负号和不带负号的数字来表示，这样N个面就把空间分成2*N个半空间，而这两个部分同时使用没有什么意义，所以一般只用带有或不带负号的数字表示。
任何一个几何结构都是由N个半空间相交所组成的。
我们通常定义：
平面和开放的曲面分割出的2个半空间，向着负坐标方向的用负号，向着正坐标方向的用正（可省略）；闭合的曲面（如球面）其内部的半空间用负号，外部半空间用正号（可省略）。
在本行中，面1表示以X轴为中心轴，半径为1.5cm并且中心轴与空间坐标轴交于（0-1.5-10.9）的圆柱面的内部，这个圆柱面是无限的，没有两个底面，面2表示垂直于X轴，并与X轴交于-44.55的平面，面3表示垂直于X轴，并与X轴交于-38.35的平面，这样cell1就是面1内部空间（-1）、面2正半空间
（2）、面3的负半空间（－3）相交而成的空间几何。
这就定义了一个密度为3.67g/cm3的圆柱形的粒子探测器。
第3行：
22-1.36-4
此单元指的是混凝土，也就是用来模拟月面的模型，标号为2，其密度由m2构成，密度值为1.36g/cm3，其几何结构是由面4构成而成。
面4指的是长方体，下面将会说到。
第4行：
30-5#1#2#6
标号为3的Cell，本行的第二个0表示的是Cell不包含物质，是真空的，因此不需要考虑粒子和它发生相互作用。
-5#1#2#6表示面5、1、2、6围成的一个空间几何区域，而“＃”的意思是表示对空间取非操作，因此整个Cell3就表示由Cell5负半空间，Cell1负半空间、Cell2负半空间、Cell6负半空间，以及以上四个Cell间之外的区域相交而成的区域。
这样Cell1代表实验中的粒子探测器，Cell2代表混凝土，Cell6代表铝板，Cell5代表除了铝板和混凝土之外不会影响粒子传输的空气。
第5行：
405
与上面相似，开头的40表示Cell4也是真空的，粒子也不会和它发生作用，经观察我们发现Cell4与Cell1，2，3，6的和恰好是整个无限的几何区域。
我们定义Cell4的目的是：
粒子进入Cell4中，就表示此粒子已经不属于我们的研究范围，它已经不会再影响到我们的实验结果，通过这种设定可以提高计算效率。
第6行：
63-2.7-6
其中第一个6指的是此Cell的编号，第2个3指的是由m3所定义的物质，-2.7表示该物质的密度为2.7g/cm3，-6指的是面6包围的区域的内部，面6指的是长方体。
第7行：
空行，此段是用来分开定义Cell和定义面的。
第8－13行：
定义了前面描述Cell时使用到的面或体。
以下面的定义的几种方式：
1c/x-1.5-10.91.5
2px-44.55
3px-38.35
前面的数字表示该面的标号为1，后面是所要定义的面的类型，然后是描述面的具体坐标的参数。
其中面1表示以X轴为中心轴，半径为1.5cm并且中心轴与空间坐标轴交于（0-1.5-10.9）的圆柱面的内部，这个圆柱面是无限的，没有两个底面，面2表示垂直于X轴，并与X轴交于-44.55的平面，面3表示垂直于X轴，并与X轴交于-38.35的平面，这样cell1就是面1内部空间（-1）、面2正半空间
（2）、面3的负半空间（－3）相交而成的空间几何。
4rpp-500500-490-290-500500
其中，4表示该面的标号为4，rpp-500500-490-290-500500表示这是一个以长宽都为1000cm高为200cm的长方体。
5sy-3902000
表示以（0-3900）为球心，半径为2000cm的球。
6rpp-15015001.1-150150
4为面的编号，rpp-15015001.1-150150表示这是一个以长宽都为300cm高为1.1cm的长方体。
需要注意的是：
前面已经定义或者描述过的面不要再次定义。
第14行：
空行，表示面的定义结束。
第15行：
modep
mode指的是我们运算时需要考虑的粒子的类型，p表示此程序中只考虑质子。
如果需要表示其他粒子时，我们表示如下：
n只考虑中子
p只考虑光子
e只考虑电子
np同时要考虑中子与光子
npe同时要考虑中子、光子、电子
pe同时要考虑光子和电子
第16行：
imp:
p11101
前面的imp表示粒子对于前面定义的Cell的重要性，imp:
p表示每个需要考虑的粒子类型是质子。
接下来的每个数值和第一段描述的Cell顺序一致，对应值为0表示在该Cell中不统计质子带来的变化，对应值为1表示在该Cell中需要考虑质子带来的影响。
虽然粒子对某一Cell的影响上面只使用了了0、1两种形式，其实用大于1的值来表示也是可以的，这样甚至还能够减少误差。
如果在此实验中有多中粒子参与则可以用
imp:
nxxxx
imp:
pxxxx
imp:
exxxx
的形式来表示。
第16－20行：
m1110231531271
m28000-0.499841000-0.00896000-0.019511000-0.013412000-0.01968&
14000-0.215415000-0.0003916000-0.0031217000-0.0005619000-0.0118&
13000-0.044420000-0.13922000-0.0026425000-0.0002426000-0.02009
m3130001
以上为标号前面定义Cell时用到的为1、2、3的材料的定义方式，第一个参数表示不同原子的种类，接下来的参数是正数的的话指的是此种类的原子在整个材料中的原子数比例，是负数的话表示该种类原子在整个材料中的质量比例。
要注意原子数之比和质量之比不要同时混合使用，比例数可以是未归一化的，MCNP在运行时会给出一个warning，不用理会它，MCNP会自动对其进行归一化。
第21－24行：
sdefpar=2pos=41-2010erg=0.662vec=0-10dir=d1
si1-10.57361
sp100.78680.2132
sb1001
以上这四行定义的是源：
sdef：
指的是此行设定的整个编程的唯一的粒子发射源。
par=2：
指的是此源是质子源。
你可以改变为0或者1来使源发射不同的粒子，这样和在modep中设定的一致；
pos=41-2010：
对于点源，这表示源的位置在坐标为在（41-2010）的点上；
erg=0.662：
此行表示的是发射粒子的能量（单位是MeV），erg=dn表示按照spn中指定的几率从sin中随机选取一个数值赋给参变量erg，即每次从源产生一个发射粒子的时候它的能量都是随机的，这样综合大量的发射粒子就会形成一个能谱的形式。
这里需要注意的是si1和sp1的写法。
首先要知道MCNP的随机取值过程并不是精确的按值随机，而是按区间随机，在sp1中指定的N个数值表示从对应区间选取数值的相对几率。
第25行：
f1:
p123
f在这里指的是计数的意思，p表示要探测的粒子为质子，1、2、3表示在此面上统计粒子数目。
第26行：
nps100000000
此行表示的是运行程序时所输入的总的粒子数目位一亿。
当达到一亿这个数目时，程序终止。
第三章运行程序得出数据
3.1执行mcnp程序
根据前面说到的，程序的编写已经基本完成了，下一步的工作便是提交给MCNP软件包进行运行计算了。
在执行mcnp程序的时候，这里需要学会进行简单的DOS操作。
由于申请的此项目是国家保密工作，因此此程序都是在保密电脑上运行的，因此无法直接从电脑上面拷贝出运营的程序。
但好在多谢学长给了一份mcnp的程序，因此我们才有机会较为深入的了解mcnp。
执行mcnp的步骤大致如下：
首先要为自己的输入文件建立一个后缀为.txt的命名文件，然后将编好的程序放在这个里面。
然后进入MCNP程序，加入命名好的文件并执行程序。
图3.1查看图像
图3.2程序运行
下面是在mcnp执行时的几个参数的用途：
ExecutionOptions
MnemonicModuleOperation
iIMCNProcessprobleminputfile
pPLOTPlotgeometry
xXACTProcesscrosssections
rMCRUNParticletransport
zMCPLOTPlottallyresultsorcrosssectiondata
i参数是必须的，因为它表示要处理一个输入文件；
p是用来画实验装置几何结构图的，一般在你的输入文件构造的初期，需要用它来调试输入文件有没有几何定义错误，如果经过验证确认输入文件的几何结构是无误的，就不需要这个参数了；
x表示处理截面，截面是核反应中必须的数据，当然也要了；
r表示启动粒子输运，这正是我们的目的，当然需要；
z表示在计算结束后进入探测结果绘图模式，如果你不想自己处理MCNP的输出文件，就加上吧。
我们的程序加入了参数p，所以直接按回车它首先进行几何结构绘图模式，如上图3.1所示。
从上图可以看出，MCNP用不同的颜色标记不同的Cell，并且标出了面的标号，以便于检查几何结构错误。
然后通过输入下面命令来查看和修改图像编程时输入的图像：
py=0：
表示察看这个切面上的图像，类似的还可以使用px：
表示观察x切面上的图像切面，pz：
表示观察z切面上的图像切面等等；
origin=3000：
表示以坐标（30，0，0）为中心绘制图像；
ext=30：
表示设置要察看的图像的大
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