完美的“擁抱”——揭秘嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接背后的故事
新華社北京12月6日電 題：完美的“擁抱”——揭秘嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接背后的故事
新華社記者 胡喆
12月6日凌晨，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器返回器組合體交會(huì)對(duì)接，并將月球樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。這是我國(guó)航天器首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接。其中，通過(guò)遠(yuǎn)程導(dǎo)引和近程自主控制，軌道器返回器組合體逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕獲上升器，完成交會(huì)對(duì)接。那么，什么是“抱爪方式”？此次交會(huì)對(duì)接又有哪些看點(diǎn)？
12月6日，航天科技人員在北京航天飛行控制中心指揮大廳監(jiān)測(cè)嫦娥五號(hào)上升器與軌道器返回器組合體交會(huì)對(duì)接情況。新華社記者 金立旺 攝
設(shè)計(jì)理念世界首創(chuàng)
“抱爪機(jī)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們?cè)阪隙鹞逄?hào)上采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，通過(guò)增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計(jì)理念都是世界首創(chuàng)。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花說(shuō)。
“所謂的抱爪，形象地說(shuō)，就像我們手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹，探測(cè)器采用的對(duì)接機(jī)構(gòu)就是由3套K形抱爪構(gòu)成的，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接。
這是嫦娥五號(hào)軌道器返回器組合體逐漸接近上升器畫(huà)面。新華社發(fā)(國(guó)家航天局供圖)
捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡(jiǎn)單的過(guò)程，但在38萬(wàn)公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)卻沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。
“月球軌道相對(duì)于地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，這就對(duì)時(shí)效性要求非常高，必須一氣呵成完成對(duì)接與轉(zhuǎn)移任務(wù)。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲解釋：“對(duì)接全步驟要在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開(kāi)始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制。”
“對(duì)接助手”可靠給力
此次，由中國(guó)航天科工集團(tuán)二院25所研制的嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，作為中遠(yuǎn)距離測(cè)量的“助手”，成功引導(dǎo)完成了嫦娥五號(hào)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)。
微波雷達(dá)是一組成對(duì)產(chǎn)品，由雷達(dá)主機(jī)和應(yīng)答機(jī)組成，分別安裝在嫦娥五號(hào)的軌道器和上升器上。當(dāng)軌道器、上升器相距約100公里時(shí)，微波雷達(dá)開(kāi)始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信，兩航天器根據(jù)雷達(dá)信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖定上升器。隨后，上升器中的月壤樣品轉(zhuǎn)移至返回器中。
這是12月6日在北京航天飛行控制中心指揮大廳拍攝的嫦娥五號(hào)上升器在軌將月球樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器畫(huà)面。新華社記者 金立旺 攝
交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，此前的任務(wù)中，我國(guó)航天器在近地軌道進(jìn)行過(guò)多次交會(huì)對(duì)接，都應(yīng)用了該微波雷達(dá)，優(yōu)異的表現(xiàn)證明，我國(guó)已經(jīng)成功掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)。但不同的是，這次交會(huì)對(duì)接是在38萬(wàn)公里之外的月球軌道，難度更大。
“與近地軌道相比，月球軌道環(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，所以自動(dòng)交會(huì)對(duì)接對(duì)微波雷達(dá)提出的要求極為苛刻。為此，研制團(tuán)隊(duì)攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)。”孫武說(shuō)。
嫦娥五號(hào)的軌道器和上升器交會(huì)對(duì)接，是體量相差巨大的“大追小”復(fù)雜受力過(guò)程，需要微波雷達(dá)的測(cè)角精度更高。微波雷達(dá)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師賀中琴介紹，微波雷達(dá)主要作用在100公里到20米的中遠(yuǎn)程范圍，精度的提高大幅提升了精準(zhǔn)對(duì)接的勝算。
12月6日，航天科技人員在北京航天飛行控制中心指揮大廳監(jiān)測(cè)嫦娥五號(hào)上升器與軌道器返回器組合體交會(huì)對(duì)接情況。新華社記者 金立旺攝
此外，裝有對(duì)接用應(yīng)答機(jī)的上升器在落月時(shí)難免形成揚(yáng)塵，這些肉眼不可見(jiàn)的干擾將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)角精度。
為確保安全度過(guò)月球之旅，設(shè)計(jì)師們?cè)趹?yīng)答機(jī)上安裝了特殊材料制成的防塵罩，“就像戴上了護(hù)目鏡，嫦娥的‘千里眼’就不會(huì)變成近視眼。”25所設(shè)計(jì)師紀(jì)博說(shuō)。
減輕每一克重量都意義重大
這是嫦娥五號(hào)上升器與軌道器返回器組合體完成交會(huì)對(duì)接畫(huà)面。新華社發(fā)(國(guó)家航天局供圖)
事實(shí)上，25所研制團(tuán)隊(duì)為這次交會(huì)對(duì)接打造的微波雷達(dá)，不僅是“千里眼”，更是“順風(fēng)耳”，升級(jí)后的它更小巧、更強(qiáng)大、更可靠。
微波雷達(dá)在保證交會(huì)對(duì)接測(cè)量“本職工作”的同時(shí)，還開(kāi)發(fā)了航天器之間雙向空空通信的“第二職業(yè)”，從雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)之間“一問(wèn)一答”的傳輸方式，升級(jí)至軌道器與上升器之間的“溝通對(duì)話”，實(shí)現(xiàn)了遙控指令和遙測(cè)參數(shù)的雙向傳輸。
“以前就像老師上課點(diǎn)名，雷達(dá)發(fā)消息，應(yīng)答機(jī)答到。現(xiàn)在，它們還要負(fù)責(zé)上升器和軌道器之間的信息傳遞。”賀中琴說(shuō)。
同時(shí)，在此前交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)減重一半的基礎(chǔ)上，這次又進(jìn)一步開(kāi)展了輕量化改進(jìn)。“每一克重量的減輕，對(duì)嫦娥五號(hào)任務(wù)的意義都是重大的。”孫武說(shuō)。