我國首次實現(xiàn)月球軌道交會對接　　 月壤樣品成功“轉(zhuǎn)移”嫦娥五號準(zhǔn)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(zhuǎn)移至返回器中。這是我國航天器首次實現(xiàn)月球軌道交會對接。其中，通過遠(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(jìn)入環(huán)月等待階段，準(zhǔn)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(dá)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(xiàn)厘米級精度的交會對接、順利轉(zhuǎn)移樣品容器的？實現(xiàn)這個過程的核心，就是由中國航天科技集團(tuán)八院研制的對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)。

　　據(jù)八院相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)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(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)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(tǒng)的自主管理、自主診斷、自主重構(gòu)等方面提出了極高的智能和可靠性要求。

　　與我國現(xiàn)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(tǒng)會實時調(diào)整自己的軌道和姿態(tài)，在微博雷達(dá)、激光雷達(dá)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(xiàn)對接。

　　“抱爪”像“人手握棍子”

　　設(shè)計理念世界首創(chuàng)

　　“抱爪機構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構(gòu)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)，實現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計理念都是世界首創(chuàng)。”中國航天科技集團(tuán)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?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)八院嫦娥五號軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹，探測器采用的對接機構(gòu)就是由3套K形抱爪構(gòu)成的，當(dāng)上升器靠近時，只要對準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現(xiàn)兩器的緊密連接。

　　捕獲、收攏、轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)移任務(wù)?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)八院對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲解釋道，“對接全步驟要在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項故障預(yù)案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制?！?/p>

　　交會對接微波雷達(dá)

　　可靠的“對接助手”

　　此次，由中國航天科工集團(tuán)二院25所研制的嫦娥五號交會對接微波雷達(dá)，作為中遠(yuǎn)距離測量的“助手”，成功引導(dǎo)完成了嫦娥五號的交會對接任務(wù)。

　　微波雷達(dá)是一組成對產(chǎn)品，由雷達(dá)主機和應(yīng)答機組成，分別安裝在嫦娥五號的軌道器和上升器上。當(dāng)軌道器、上升器相距約100公里時，微波雷達(dá)開始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩航天器之間的相對運動參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信，兩航天器根據(jù)雷達(dá)信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對接機構(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。

　　交會對接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，此前的任務(wù)中，我國航天器在近地軌道進(jìn)行過多次交會對接，都應(yīng)用了該微波雷達(dá)，優(yōu)異的表現(xiàn)證明，我國已經(jīng)成功掌握交會對接技術(shù)。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(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，所以自動交會對接對微波雷達(dá)提出的要求極為苛刻。為此，研制團(tuán)隊攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)?！睂O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(fù)雜受力過程，需要微波雷達(dá)的測角精度更高。微波雷達(dá)項目主任設(shè)計師賀中琴介紹，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(huán)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(tuán)八院控制所研制的紅外及可見光雙譜段監(jiān)視相機。

　　八院控制所光學(xué)導(dǎo)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(jīng)各自的光學(xué)鏡頭，獲取圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)遙控指令的要求，可在六種拍攝模式中自由切換，實現(xiàn)紅外和可見光分別或同時成像。

　　“相當(dāng)于給普通相機加了一個夜視儀，即使交會對接過程發(fā)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(dá)到2048×2048，紅外譜段分辨率為640×480。在此基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)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(dá)每減輕一克重量都意義重大

　　事實上，25所研制團(tuán)隊為這次交會對接打造的微波雷達(dá)，不僅是“千里眼”，更是“順風(fēng)耳”，升級后的它更小巧、更強大、更可靠。

　　微波雷達(dá)在保證交會對接測量“本職工作”的同時，還開發(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(xiàn)了遙控指令和遙測參數(shù)的雙向傳輸。

　　“以前就像老師上課點名，雷達(dá)發(fā)消息，應(yīng)答機答到?，F(xiàn)在，它們還要負(fù)責(zé)上升器和軌道器之間的信息傳遞?！辟R中琴說。

　　同時，在此前交會對接微波雷達(dá)已經(jīng)實現(xiàn)減重一半的基礎(chǔ)上，這次又進(jìn)一步開展了輕量化改進(jìn)?！懊恳豢酥亓康臏p輕，對嫦娥五號任務(wù)的意義都是重大的?！睂O武說。

　　此外，裝有對接用應(yīng)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(yán)重影響測角精度。

　　為確保安全度過月球之旅，設(shè)計師們在應(yīng)答機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’就不會變成近視眼?！?5所設(shè)計師紀(jì)博說。

　　本版文/本報記者 雷嘉

　　通訊員 段遜 綜合新華社