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中国首次实现月球轨道交会对接 嫦娥五号完成样品在轨转移

原创2020-12-06 09:35:00 推荐 723

记者从国家航天局获悉,12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接(新华社记者胡喆)

△ 嫦娥五号轨道器逐渐接近上升器 供图:国家航天局

专家介绍,从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程自主控制,轨道器返回器组合体逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕获上升器,完成交会对接

▲ 这是12月6日在北京航天飞行控制中心指挥大厅拍摄的嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接画面。 新华社记者 金立旺 摄

后续,嫦娥五号轨道器返回器组合体将与上升器分离,择机返回地球

▲ 12月6日,航天科技人员在北京航天飞行控制中心指挥大厅监测嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接情况。 新华社记者 金立旺 摄

千里眼,顺风耳!微波雷达助力首次“月宫之吻”

文/北京日报客户端记者 张航

供图:中国航天科工集团

嫦娥五号月球采样返回,是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最高的任务之一。由中国航天科工集团有限公司研制的嫦娥五号交会对接微波雷达,作为探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段,成功引导探测器实现首次月球轨道无人交会对接。该对接技术也是嫦娥五号任务中“四大关键技术”之一。

▲ 交会对接微波雷达团队在产品出厂前对其进行状态检测。

看得清 更精准

月球轨道微波雷达是一组成对产品,由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100公里时,微波雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数,并进行双向空空通信,两部航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后,上升器中的月壤样品和容器转移。

航天科工二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武介绍,此前的载人航天工程任务中,我国航天器在近地轨道进行过多次交会对接,都应用了航天科工的微波雷达,五战五捷的表现足以证明,我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是,这次是在距离38万公里之外的月球轨道,难度更大。

“与近地轨道相比,月球轨道没有卫星导航等服务资源,微波通信是中远距离的唯一手段。月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。为此,微波雷达团队攻克了相位干涉仪测角、大宽角度测量等关键技术。”孙武说。

其中对于大宽角度的精确测量,孙武带领团队着实下了一番大功夫。

因为嫦娥五号的轨道器和上升器交会对接,是体量相差巨大的“大追小”复杂受力过程,采用了抱爪式的弱撞击对接机构。这样一来,需要微波雷达的测角精度更高。

“我们采用了创新的误差补偿算法,进一步提高了微波雷达的测角精度,大幅提升了精准对接的胜算。”微波雷达项目主任设计师贺中琴介绍说。

此外,装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会严重降低测角精度。

为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩,“就像给‘千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’了。”青年设计师纪博已经是第二次参与交会对接任务,说起自己的产品,她自豪地打起了比方。

会说话 更可靠

孙武说,“我们为这次交会对接打造的,不仅是‘千里眼’,还是‘顺风耳’,升级后的它更小巧、更强大、更可靠。”

微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”,从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。

“以前就像老师上课点名,雷达发消息,应答机答‘到’。而现在它们不仅自己要通话,还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。”贺中琴说。

同时,在此前“天舟”、“天宫”交会对接微波雷达已经实现减重一半的基础上,这次再进一步开展了轻量化的改进。

“交会对接雷达减去的重量比月壤采样重量还高,哪怕一克的重量减轻,对月壤采样任务的意义,都是巨大的。”孙武感慨。

此次微波雷达在首次地外天体轨道对接过程中的完美表现,与之前载人航天工程的那五次任务一样,毫无悬念、毫无差错。这也是孙武团队对产品质量“零缺陷”的坚持,对“一次成功”的诠释。

“经过七项单机试验、三项分系统试验和五项系统试验的充分验证,我们和它都做好了充分的准备。”临近执行任务的那段日子,贺中琴很是兴奋,她透露,针对月球轨道的特殊应用,与前几次相比增加了抗月尘试验、抗干扰试验和交会对接无线兼容试验验证,它的表现很好。对贺中琴来说,微波雷达就像自己的孩子,出征前,她充满了信心,也充满了期待,“绝不把任何一点疑惑、缺陷带上太空”,这才是零缺陷的可靠产品。

这套关键构件助嫦五圆梦“月宫之吻”,曾试验上千次

文/北京日报客户端记者 张航 通讯员 王玓瑭

北京时间12月6日凌晨,携带着月壤的嫦娥五号上升器与在环月轨道上的轨道器、返回器组合体成功实现交会对接,月壤顺利地从上升器转移到了返回器中。我国首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移取得圆满成功!这背后,由中国航天科技集团八院研制的对接与样品转移机构功不可没。

一样的名字,不一样的对接

虽然同样名为“交会对接”,但嫦娥五号采用的对接方式与过去多次实施的载人航天对接方式有很大区别。载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构,在对接后可形成一个80公分左右的通道,方便航天员在其中穿行。

载人航天器位于近地轨道运行,质量相对较大。但月球探测轨道更远,受制于运载能力,探测器的质量和空间有严苛限制。因此,嫦娥五号探测器的对接机构必须做到小而精,其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一,同时,还要具备样品容器捕获、自动转移功能,对接结构要求重量更轻、精度更高、过程更稳。

“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此,我们在嫦娥五号探测器上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。

“所谓的抱爪,其实形象地说,就像我们手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的紧密连接。

轨道器和上升器对接完成后,还要进行一个重要动作,就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。“连杆棘爪式转移机构采用了一个非常巧妙的设计,我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带,相连后就只能单方向传递,只能前进不能后退。”胡震宇介绍。

上千次试验,只为交会对接不差分毫

捕获、收拢、转移,看似简单的过程,但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却并不容易。“月球轨道相对于地球轨道有时延,时间走廊较小,时效性要求非常高,必须一气呵成完成对接与转移任务。”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲说,为此工作人员做了35项故障预案,从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。

作为工程研制单位,八院805所从2011年就开始开展相关技术的攻关和工程研制,以突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术。“我们构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统,先后进行了超过1000次样品转移测试,通过不断地测试、优化,确保自动对接与样品转移过程的万无一失。”刘仲介绍, “我们甚至在试验中故意加入小故障,让对接机构自动判别,进行故障排除,确保整个过程一气呵成、稳妥可靠。”

嫦娥五号对接与样品转移机构的研制成功,为探月三期任务的实施奠定了坚实技术基础,同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白,将为后续深空探测等任务提供有力支撑。

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