文章來源：科技日報(bao) 發布時間(jian)：2021-12-04
2020年12月1日，嫦娥五(wu)號探測器(qi)的著陸上升(sheng)組(zu)合體歷經主動減速、快速調整、接(jie)近、懸停避障、緩速下降(jiang)和自(zi)由下落階段(duan)，成(cheng)功完成(cheng)在月面預定區域的軟著陸。
這(zhe)輕(qing)盈、穩健的一(yi)落，蘊藏著無數(shu)航天人的智慧(hui)和心血。
邊飛邊找落點
對于嫦娥五號來說，落月(yue)只有一次(ci)機會，必須一次(ci)成(cheng)功。
相比嫦娥(e)三號(hao)、四號(hao)，嫦娥(e)五號(hao)對于著(zhu)陸點的位置精度(du)和平整度(du)要求是(shi)空前的。由于涉(she)及采樣完成后(hou)上(shang)升器要在(zai)月面起(qi)飛，嫦娥(e)五號(hao)挑選落點的過程，也是(shi)為后(hou)續上(shang)升器月面起(qi)飛選擇“發射場”的過程，其(qi)降落區域(yu)內不能(neng)有太高的凸(tu)起(qi)、太深的凹(ao)坑(keng)，坡度(du)也需要符(fu)合任務(wu)要求。
簡單說，它是一(yi)邊飛行(xing)一(yi)邊尋找落(luo)點，如(ru)同一(yi)次從600公(gong)里外開始(shi)、在(zai)15分鐘內完成的自主“跳傘”。
為了實(shi)現(xian)“選(xuan)址正(zheng)確、落(luo)(luo)得準(zhun)確”，嫦娥(e)五(wu)號采用(yong)了已(yi)經在(zai)嫦娥(e)三號和四(si)號上成(cheng)功應用(yong)的“粗精接力(li)避障(zhang)”方(fang)式。這種方(fang)式，是在(zai)由(you)中國航天科技集團五(wu)院502所研制(zhi)(zhi)的制(zhi)(zhi)導(dao)導(dao)航與控制(zhi)(zhi)（GNC）系(xi)統指揮下，著(zhu)陸上升(sheng)組(zu)合(he)體先(xian)大推力(li)反(fan)向制(zhi)(zhi)動減速，然后快速調整姿態，對預(yu)定(ding)落(luo)(luo)區(qu)地形進行拍(pai)照識別，避開大的障(zhang)礙，實(shi)現(xian)“粗避障(zhang)”，之后再斜向落(luo)(luo)向選(xuan)定(ding)的著(zhu)陸點，飛(fei)到著(zhu)陸點正(zheng)上方(fang)后改(gai)為垂直下降，在(zai)接近月面(mian)時關閉發動機(ji)，落(luo)(luo)在(zai)月球上。
探查落月路徑的眼睛
GNC系(xi)統在(zai)進行決(jue)策時，離不開各種數據支持。由五院(yuan)西安分院(yuan)研制的微波測距測速敏感(gan)器(qi)，如同(tong)一(yi)雙明(ming)亮的眼睛(jing)，感(gan)知著(zhu)嫦娥五號的落月路徑，并向決(jue)策“大腦”傳遞信息。
據西安分(fen)院微波(bo)測距測速(su)敏感(gan)器主任設計師張愛(ai)軍介(jie)紹(shao)，這(zhe)部雷達在(zai)著陸上升組合體距離月(yue)球表面約15公里時(shi)開(kai)機，在(zai)距離月(yue)面6公里時(shi)正(zheng)式開(kai)始工作(zuo)。
“該雷(lei)達可以探測著(zhu)陸(lu)器與月球表面的距(ju)離，以及著(zhu)陸(lu)器下降的速(su)度(du)，并向(xiang)上升器的制(zhi)導導航與控制(zhi)系統提供速(su)度(du)和(he)距(ju)離的信息，以便著(zhu)陸(lu)器判(pan)斷降落的落點和(he)速(su)度(du)。”張愛(ai)軍說。
落月發動機有絕招
發動機為(wei)嫦娥五號安全落(luo)月提供(gong)了動力保障。不過，靠普通宇航(hang)發動機，是無法完成月面安全軟著陸任務的。
從航(hang)天科技集團六院了解到，月球是真空(kong)狀態，沒有(you)大(da)氣(qi)，意(yi)味著不能(neng)利(li)用空(kong)氣(qi)摩擦實現減速。為(wei)完成探測器(qi)動力下降、懸停等(deng)著陸階段動作(zuo)，要求發動機(ji)具備推力深度調節能(neng)力。
2006年，六院正式啟動7500牛(niu)變(bian)推(tui)力(li)(li)發動機(ji)關(guan)鍵(jian)(jian)技(ji)(ji)術(shu)攻關(guan)。經過(guo)艱苦探索，研制(zhi)團隊先后突破“高性能(neng)、長壽命(ming)推(tui)力(li)(li)室”“流量精確(que)調節與穩定”和“發動機(ji)系統優(you)化與集成”3大關(guan)鍵(jian)(jian)技(ji)(ji)術(shu)，發動機(ji)技(ji)(ji)術(shu)指標基(ji)本(ben)滿足探測器要求，為(wei)后續研制(zhi)任務奠定了堅實基(ji)礎。
在7500牛變推(tui)力發動機鼎力支(zhi)撐下(xia)，2013年12月(yue)(yue)，嫦娥(e)三號探(tan)測(ce)器完成了(le)我國首次(ci)地外天體軟著(zhu)陸(lu)(lu)；2019年1月(yue)(yue)，嫦娥(e)四號探(tan)測(ce)器實現(xian)人類(lei)首次(ci)月(yue)(yue)背(bei)軟著(zhu)陸(lu)(lu)。這(zhe)次(ci)，它又護送嫦娥(e)五號著(zhu)陸(lu)(lu)上升(sheng)組(zu)合(he)體平穩(wen)落在月(yue)(yue)球。
“剎車指令員”責任重大
嫦娥五號落月最(zui)后階(jie)段(duan)的(de)發動機關機，需(xu)要(yao)有精準的(de)指(zhi)令。中(zhong)國航(hang)天科工集團研制的(de)γ關機敏感器(qi)，就是落月過程中(zhong)的(de)“剎(cha)車(che)指(zhi)令員(yuan)”，責任重大。
落(luo)月(yue)(yue)過(guo)程開始后，置于嫦娥(e)五(wu)號底部的(de)γ關(guan)機(ji)(ji)敏感器便實時(shi)測量著(zhu)探測器與月(yue)(yue)面的(de)距離。當嫦娥(e)五(wu)號落(luo)到距月(yue)(yue)面不(bu)足5米高(gao)度時(shi)，該設備發(fa)出關(guan)機(ji)(ji)指(zhi)令，關(guan)閉軌控(kong)和姿(zi)控(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)。這一瞬間(jian)，決定(ding)著(zhu)落(luo)月(yue)(yue)任務(wu)的(de)成敗。隨著(zhu)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)反(fan)推力的(de)撤(che)離，嫦娥(e)五(wu)號得以(yi)翩然落(luo)月(yue)(yue)。
據介紹，γ射線具備受外部環境干擾(rao)小、精度(du)高等特(te)點，因而(er)被應用于對精度(du)、可靠性(xing)要求最高的載(zai)人航(hang)天和(he)探月(yue)任務(wu)中。此(ci)前(qian)，航(hang)天科工研(yan)制的γ高度(du)控(kong)制裝置已經在神舟飛(fei)船任務(wu)中成(cheng)功應用，護送航(hang)天員安(an)全返回。
嫦娥五號的“腿”不一般
離開了(le)發(fa)動(dong)機的反(fan)推，嫦(chang)娥(e)五號是以自由落體形式著陸的。雖然(ran)月(yue)球引力較小(xiao)，降(jiang)落高度也(ye)不高，但撞擊月(yue)面時(shi)仍會形成(cheng)一定沖擊載(zai)荷(he)。
這就(jiu)需要著(zhu)陸緩沖系統發揮(hui)作用，吸收著(zhu)陸時(shi)的沖擊載荷，同時(shi)保證(zheng)探測器(qi)不翻(fan)倒、不陷落。
著陸緩(huan)沖機構，通俗地說就是嫦娥(e)五號的(de)“腿”，是落月環(huan)節的(de)技術難題之一(yi)(yi)。嫦娥(e)五號的(de)4條“腿”可不一(yi)(yi)般(ban)，它們集緩(huan)沖、支撐功(gong)能(neng)于一(yi)(yi)體(ti)，繼(ji)承(cheng)了嫦娥(e)三(san)號、四號的(de)完美基因(yin)，由(you)五院機構分(fen)系統團隊精心設計。
據了解，該機構采用具有完全自主知識產(chan)權的“偏(pian)置收攏、自我壓緊”式方案(an)，保證了收攏簡單、展開可(ke)靠，能解決著陸緩沖(chong)、著陸穩定性等多方面(mian)問(wen)題。
與嫦娥(e)三號的(de)著陸(lu)緩沖(chong)設(she)(she)計方案(an)相比，嫦娥(e)五(wu)號任務由于難度增加，著陸(lu)緩沖(chong)能力要求(qiu)提(ti)高了30%，但機構重(zhong)量(liang)指標(biao)卻減少了5%。五(wu)院總體設(she)(she)計部研制團隊最終解決了這(zhe)個難題。
你不知道的精妙設計
嫦娥五號(hao)落月過程中(zhong)，還(huan)有一些鮮為人知的精妙設計。
從表面看(kan)，是著陸(lu)器(qi)“托(tuo)著”上升(sheng)器(qi)降落(luo)到(dao)月面，實際上，著陸(lu)器(qi)上GNC系統(tong)的工作(zuo)，卻(que)借助了(le)上升(sheng)器(qi)上的中央控(kong)制計算機和星敏感器(qi)。
中央(yang)控制計算機是上(shang)升(sheng)器在(zai)月面起(qi)飛時要用的(de)“最強大腦”，星敏感器則能讓上(shang)升(sheng)器通過“看(kan)星星”來確定(ding)自己的(de)姿態。
這樣的(de)“合作”，是設計人(ren)員結合“上升器(qi)全程陪同著(zhu)陸器(qi)”的(de)實際(ji)想出的(de)妙招，既(ji)節約了成本，又減輕了重量(liang)。
此外，當著陸器(qi)(qi)接近(jin)月面時，發動機激起(qi)的(de)月塵(chen)容易讓(rang)星敏(min)感器(qi)(qi)“迷眼”，從而影響后(hou)續(xu)上升器(qi)(qi)起(qi)飛。研制團隊專門設計了(le)一個蓋(gai)子(zi)，可以在落(luo)月最后(hou)階段把星敏(min)感器(qi)(qi)的(de)鏡頭(tou)蓋(gai)起(qi)來(lai)，他們稱(cheng)之為“天黑請閉眼”。待落(luo)月之后(hou)月塵(chen)散去，再讓(rang)星敏(min)感器(qi)(qi)“睜眼”。
地月通信的橋梁
遠(yuan)在38萬公(gong)里外經歷生死考驗的嫦娥五(wu)號(hao)，一舉一動都令國人牽掛。好(hao)在通過各種天線和數據傳輸手段(duan)，地面(mian)可以跟嫦娥五(wu)號(hao)保持聯系，隨時了解它的動態(tai)，向它發送指令。
在(zai)上升器上，裝有西安分(fen)院研(yan)制(zhi)的測控天(tian)線，如同(tong)嫦(chang)娥五號隨身攜帶(dai)的手機(ji)，是它與地(di)面之間測控通信(xin)的主要依靠。而著(zhu)陸器拍(pai)攝的落月照片(pian)，則由該(gai)院研(yan)制(zhi)的數傳系統實(shi)時傳回，為地(di)面決策提供(gong)依據。
相(xiang)比地面(mian)上(shang)的(de)手機，地月通信距(ju)離遠了幾萬(wan)倍，數據發送需要采用特殊(shu)的(de)對地定向天(tian)(tian)(tian)線。由(you)五院總體(ti)設計(ji)部設計(ji)的(de)定向天(tian)(tian)(tian)線采用雙軸驅(qu)動機構，就像人的(de)肩、肘關(guan)節，能讓反(fan)射面(mian)天(tian)(tian)(tian)線輻射器靈活轉動，始終對準(zhun)地面(mian)。為了滿足任務要求，反(fan)射面(mian)天(tian)(tian)(tian)線的(de)設計(ji)輕(qing)量化到極致，相(xiang)比同類(lei)天(tian)(tian)(tian)線減重了40%以上(shang)。
【責(ze)任編輯：趙藝涵】