我國首次實現月球軌道交會對接 月壤樣品成功“轉移”嫦娥五號準備擇機返回地球
北京青年報記者從國家航天局獲悉，北京時間12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并于6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國航天器首次實現月球軌道交會對接。其中，通過遠程導引和近程自主控制，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，完成交會對接。
6日12時35分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體又與上升器成功分離，進入環月等待階段，準備擇機返回地球。
揭秘
嫦娥五號如何完成完美“擁抱”
嫦娥五號采用
停控加抓取方式
距離地球38萬公里外的太空中，體重達2.3噸的軌道器和返回器組合體，是怎樣與體重僅有400公斤左右的上升器實現厘米級精度的交會對接、順利轉移樣品容器的？實現這個過程的核心，就是由中國航天科技集團八院研制的對接與樣品轉移機構。
據八院相關技術負責人介紹，月球軌道的交會對接精度要求是厘米級，而目前地面對38萬公里外的測控精度是公里級，加之相較于神舟飛船的交會對接，月球軌道每圈有1／3的時間位于不可測弧段，所以，軌返組合體與上升器交會、對接的過程只能由制導導航與控制（GNC）系統智能自主完成，這一過程稱之為近程自主控制段，這對GNC系統的自主管理、自主診斷、自主重構等方面提出了極高的智能和可靠性要求。
與我國現已掌握的地球軌道交會對接采用小星追大星、用弱撞擊的方式不同，嫦娥五號軌返組合體追上升器屬于大星追小星，如果用撞擊的方式對接會把上升器撞飛，所以，嫦娥五號采用的是停控加抓取的方式：GNC系統會實時調整自己的軌道和姿態，在微博雷達、激光雷達和交會對接相機的接力保障下，軌返組合體一步步追上上升器，直到可以“牽手”的距離；之后雙方保持相同速度飛行的過程中，軌返組合體從后面 “伸手”牽過上升器之后拉緊，實現對接。
“抱爪”像“人手握棍子”
設計理念世界首創
“抱爪機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創。”中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花說。
“所謂的抱爪，形象地說，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”中國航天科技集團八院嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇介紹，探測器采用的對接機構就是由3套K形抱爪構成的，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接。
捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現卻沒有那么簡單。
“月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。”中國航天科技集團八院對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲解釋道，“對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此，我們做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。”
交會對接微波雷達
可靠的“對接助手”
此次，由中國航天科工集團二院25所研制的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為中遠距離測量的“助手”，成功引導完成了嫦娥五號的交會對接任務。
微波雷達是一組成對產品，由雷達主機和應答機組成，分別安裝在嫦娥五號的軌道器和上升器上。當軌道器、上升器相距約100公里時，微波雷達開始工作，不斷為導航控制分系統提供兩航天器之間的相對運動參數，并進行雙向通信，兩航天器根據雷達信號調整飛行姿態，直至軌道器上的對接機構捕獲、鎖定上升器。隨后，上升器中的月壤樣品轉移至返回器中。
交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，此前的任務中，我國航天器在近地軌道進行過多次交會對接，都應用了該微波雷達，優異的表現證明，我國已經成功掌握交會對接技術。但不同的是，這次交會對接是在38萬公里之外的月球軌道，難度更大。“與近地軌道相比，月球軌道環境更復雜，要克服月球引力影響，所以自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。為此，研制團隊攻克了一系列關鍵技術。”孫武說。
嫦娥五號的軌道器和上升器交會對接，是體量相差巨大的“大追小”復雜受力過程，需要微波雷達的測角精度更高。微波雷達項目主任設計師賀中琴介紹，微波雷達主要作用在100公里到20米的中遠程范圍，精度的提高大幅提升了精準對接的勝算。
“太空攝影師”
拍下月壤樣品返回對接
6日6時許，在38萬公里外的環月軌道，航天器上的鏡頭清晰地記錄了嫦娥五號上升器攜帶月壤樣品與軌返組合體的交會對接過程。這張“硬核大片”背后的太空攝影師，是中國航天科技集團八院控制所研制的紅外及可見光雙譜段監視相機。
八院控制所光學導航專家鄭循江介紹，該相機主要記錄嫦娥五號軌道器與上升器的交會對接過程，以及軌道器與著陸器/上升器組合體分離、與支撐艙分離過程，集紅外和可見光成像于一體。紅外和可見光傳感器經各自的光學鏡頭，獲取圖像數據，根據遙控指令的要求，可在六種拍攝模式中自由切換，實現紅外和可見光分別或同時成像。
“相當于給普通相機加了一個夜視儀，即使交會對接過程發生在月背，接受不到太陽光照，我們也可以通過紅外相機記錄下全過程，確保全天時、全光照條件下記錄交會對接過程。”鄭循江說。
該相機的可見光譜段分辨率達到2048×2048，紅外譜段分辨率為640×480。在此基礎上，還實現了紅外和可見光同時成像，從而給地球上的觀眾帶來了高清的視覺感受。
升級
微波雷達每減輕一克重量都意義重大
事實上，25所研制團隊為這次交會對接打造的微波雷達，不僅是“千里眼”，更是“順風耳”，升級后的它更小巧、更強大、更可靠。
微波雷達在保證交會對接測量“本職工作”的同時，還開發了航天器之間雙向空空通信的“第二職業”，從雷達與應答機之間“一問一答”的傳輸方式，升級至軌道器與上升器之間的“溝通對話”，實現了遙控指令和遙測參數的雙向傳輸。
“以前就像老師上課點名，雷達發消息，應答機答到。現在，它們還要負責上升器和軌道器之間的信息傳遞。”賀中琴說。
同時，在此前交會對接微波雷達已經實現減重一半的基礎上，這次又進一步開展了輕量化改進。“每一克重量的減輕，對嫦娥五號任務的意義都是重大的。”孫武說。
此外，裝有對接用應答機的上升器在落月時難免形成揚塵，這些肉眼不可見的干擾將會嚴重影響測角精度。
為確保安全度過月球之旅，設計師們在應答機上安裝了特殊材料制成的防塵罩，“就像戴上了護目鏡，嫦娥的‘千里眼’就不會變成近視眼。”25所設計師紀博說。
本版文/本報記者 雷嘉
通訊員 段遜 綜合新華社