文章來源：科技日報(bao) 發布時間：2021-12-04
2020年12月1日，嫦娥(e)五(wu)號探測(ce)器的(de)(de)著(zhu)陸(lu)(lu)上升組合體(ti)歷經主動減速(su)、快(kuai)速(su)調整(zheng)、接近、懸停(ting)避障(zhang)、緩速(su)下降和自由下落(luo)階段，成(cheng)功完成(cheng)在(zai)月面預定區(qu)域(yu)的(de)(de)軟著(zhu)陸(lu)(lu)。
這輕盈、穩健的(de)一(yi)落，蘊(yun)藏(zang)著無數航天(tian)人的(de)智(zhi)慧和心血。
邊飛邊找落點
對于嫦娥五號來(lai)說，落(luo)月只有一次(ci)機會，必須一次(ci)成功。
相比嫦娥(e)(e)三號、四號，嫦娥(e)(e)五號對于著陸點的(de)(de)位置精(jing)度(du)和平整度(du)要求是空前的(de)(de)。由于涉及(ji)采樣完成后(hou)(hou)上(shang)升(sheng)器(qi)要在月(yue)面(mian)起飛(fei)，嫦娥(e)(e)五號挑選落點的(de)(de)過程，也是為后(hou)(hou)續上(shang)升(sheng)器(qi)月(yue)面(mian)起飛(fei)選擇“發射場(chang)”的(de)(de)過程，其降落區(qu)域內不能有太(tai)高的(de)(de)凸起、太(tai)深的(de)(de)凹坑，坡度(du)也需(xu)要符(fu)合(he)任務(wu)要求。
簡單(dan)說，它是一邊飛行一邊尋找(zhao)落點(dian)，如同一次從600公里外開(kai)始、在(zai)15分鐘內完成(cheng)的自主“跳傘”。
為了(le)實現(xian)(xian)“選(xuan)址正確、落得準確”，嫦娥五號采用了(le)已經在嫦娥三(san)號和四號上(shang)(shang)成(cheng)功應用的(de)(de)“粗(cu)精接力避障”方(fang)(fang)式。這種方(fang)(fang)式，是在由中國航天(tian)科(ke)技(ji)集團五院502所研制(zhi)的(de)(de)制(zhi)導(dao)導(dao)航與控制(zhi)（GNC）系統(tong)指揮下，著陸上(shang)(shang)升(sheng)組合體先大推(tui)力反向(xiang)(xiang)制(zhi)動減速，然后(hou)快速調整姿態，對預定落區地形進(jin)行拍照識(shi)別，避開大的(de)(de)障礙，實現(xian)(xian)“粗(cu)避障”，之后(hou)再斜向(xiang)(xiang)落向(xiang)(xiang)選(xuan)定的(de)(de)著陸點(dian)，飛到著陸點(dian)正上(shang)(shang)方(fang)(fang)后(hou)改為垂(chui)直(zhi)下降，在接近月面(mian)時關閉(bi)發動機(ji)，落在月球上(shang)(shang)。
探查落月路徑的眼睛
GNC系統在進行決策(ce)時(shi)，離不開各種數據支持。由五(wu)(wu)院(yuan)西安分院(yuan)研制的(de)微波測距測速敏感(gan)器，如同(tong)一雙明(ming)亮的(de)眼睛，感(gan)知著(zhu)嫦娥五(wu)(wu)號的(de)落(luo)月(yue)路徑，并向(xiang)決策(ce)“大腦(nao)”傳(chuan)遞信息。
據西安分院微波(bo)測(ce)距測(ce)速(su)敏感(gan)器主任設計師張愛軍介紹，這部(bu)雷達在(zai)著陸上(shang)升組合體距離月球(qiu)表面約15公里(li)時(shi)開機，在(zai)距離月面6公里(li)時(shi)正式開始(shi)工作。
“該雷達可(ke)以探測著陸器(qi)(qi)與月球表面(mian)的距(ju)(ju)離，以及著陸器(qi)(qi)下(xia)降的速(su)度，并向上升器(qi)(qi)的制導導航與控制系統提供速(su)度和距(ju)(ju)離的信(xin)息，以便(bian)著陸器(qi)(qi)判斷降落的落點和速(su)度。”張(zhang)愛(ai)軍說。
落月發動機有絕招
發(fa)動(dong)(dong)機(ji)為嫦娥五號安全落月(yue)提供了動(dong)(dong)力保障。不過(guo)，靠(kao)普(pu)通宇航發(fa)動(dong)(dong)機(ji)，是無法完成月(yue)面安全軟(ruan)著陸(lu)任(ren)務的。
從航天科技集團六院了解(jie)到(dao)，月球(qiu)是(shi)真空狀態，沒有大氣，意味著不能(neng)利用(yong)空氣摩(mo)擦實(shi)現減速。為完成探測器(qi)動力(li)(li)下(xia)降(jiang)、懸停等著陸階段(duan)動作(zuo)，要求發動機具備推力(li)(li)深度調(diao)節能(neng)力(li)(li)。
2006年，六院正式(shi)啟動(dong)(dong)7500牛變推力發(fa)動(dong)(dong)機(ji)關(guan)鍵(jian)技(ji)術攻關(guan)。經過(guo)艱苦(ku)探索，研制團(tuan)隊先(xian)后突破“高性(xing)能、長壽命推力室”“流量精(jing)確調節(jie)與穩定”和“發(fa)動(dong)(dong)機(ji)系統優化與集成(cheng)”3大(da)關(guan)鍵(jian)技(ji)術，發(fa)動(dong)(dong)機(ji)技(ji)術指標基(ji)本(ben)滿(man)足探測器要(yao)求，為后續研制任(ren)務奠(dian)定了堅(jian)實基(ji)礎。
在7500牛變(bian)推力(li)發動機(ji)鼎力(li)支撐(cheng)下，2013年12月，嫦(chang)(chang)娥三號探測器(qi)完(wan)成了我(wo)國首(shou)次(ci)(ci)地外天(tian)體軟著陸(lu)；2019年1月，嫦(chang)(chang)娥四號探測器(qi)實現人類首(shou)次(ci)(ci)月背軟著陸(lu)。這次(ci)(ci)，它又(you)護送嫦(chang)(chang)娥五(wu)號著陸(lu)上升組合體平穩(wen)落在月球。
“剎車指令員”責任重大
嫦娥五號落(luo)月最后階段的(de)發動機(ji)關(guan)機(ji)，需要有精準的(de)指令(ling)。中國航天科(ke)工(gong)集(ji)團研(yan)制的(de)γ關(guan)機(ji)敏感(gan)器(qi)，就是(shi)落(luo)月過(guo)程中的(de)“剎車指令(ling)員”，責任重大。
落(luo)月(yue)(yue)過程(cheng)開(kai)始后，置于嫦(chang)娥五號底部的(de)γ關(guan)機敏(min)感(gan)器便實時測量(liang)著探測器與月(yue)(yue)面(mian)的(de)距離。當嫦(chang)娥五號落(luo)到距月(yue)(yue)面(mian)不(bu)足5米高度(du)時，該設備發(fa)(fa)出關(guan)機指(zhi)令(ling)，關(guan)閉軌控和姿控發(fa)(fa)動機。這一瞬間，決定著落(luo)月(yue)(yue)任務的(de)成敗。隨著發(fa)(fa)動機反(fan)推力的(de)撤離，嫦(chang)娥五號得以翩然(ran)落(luo)月(yue)(yue)。
據介紹，γ射線(xian)具備受外(wai)部環境干擾小(xiao)、精度(du)(du)高(gao)等特點(dian)，因(yin)而被應用(yong)于對(dui)精度(du)(du)、可靠性要求最高(gao)的載人航(hang)(hang)天和(he)探月任務中。此前，航(hang)(hang)天科工(gong)研制的γ高(gao)度(du)(du)控制裝置(zhi)已經在神(shen)舟飛船任務中成功應用(yong)，護(hu)送航(hang)(hang)天員(yuan)安全(quan)返回。
嫦娥五號的“腿”不一般
離(li)開了發動機的反(fan)推，嫦娥五號是以自由(you)落體形式著(zhu)陸的。雖然月(yue)球引力較小，降落高(gao)度也不高(gao)，但撞(zhuang)擊月(yue)面(mian)時仍會形成(cheng)一定(ding)沖(chong)擊載荷。
這(zhe)就需要著陸緩沖(chong)(chong)系(xi)統發揮作用，吸收著陸時(shi)的(de)沖(chong)(chong)擊載(zai)荷，同時(shi)保證探測(ce)器不(bu)翻倒(dao)、不(bu)陷(xian)落。
著(zhu)陸(lu)緩沖(chong)(chong)機構，通俗地說就是(shi)嫦娥五(wu)號的(de)(de)“腿”，是(shi)落月環節的(de)(de)技術難(nan)題之一。嫦娥五(wu)號的(de)(de)4條“腿”可不一般，它(ta)們(men)集緩沖(chong)(chong)、支撐功能于一體，繼承(cheng)了嫦娥三號、四號的(de)(de)完美(mei)基因，由(you)五(wu)院機構分系統團隊精心設(she)計(ji)。
據了解，該(gai)機(ji)構采用具有完全(quan)自(zi)主(zhu)知識產權(quan)的“偏置收攏(long)(long)、自(zi)我壓(ya)緊”式方(fang)案，保(bao)證了收攏(long)(long)簡(jian)單、展開(kai)可靠，能解決著陸緩沖(chong)、著陸穩定性等多方(fang)面問題。
與嫦(chang)娥三(san)號的著(zhu)陸(lu)緩沖(chong)設計(ji)方案(an)相比，嫦(chang)娥五號任務由于難(nan)度增加，著(zhu)陸(lu)緩沖(chong)能力(li)要求提(ti)高了(le)30%，但機構重量指(zhi)標卻減少(shao)了(le)5%。五院(yuan)總體設計(ji)部(bu)研制團隊最終解決(jue)了(le)這個難(nan)題。
你不知道的精妙設計
嫦娥五號落月過程中，還有一些鮮為(wei)人知的精妙設計。
從表面看(kan)，是著陸(lu)器“托著”上(shang)升器降落到月面，實際上(shang)，著陸(lu)器上(shang)GNC系(xi)統的(de)工作，卻借助了上(shang)升器上(shang)的(de)中央控制計算(suan)機(ji)和(he)星敏感器。
中央控制計算機(ji)是(shi)上(shang)升器在月(yue)面(mian)起(qi)飛(fei)時要用的“最強大(da)腦”，星敏感器則能讓上(shang)升器通過“看星星”來(lai)確定(ding)自己的姿態。
這樣(yang)的(de)(de)(de)“合作”，是設計(ji)人員結合“上(shang)升(sheng)器全(quan)程陪(pei)同著陸器”的(de)(de)(de)實際(ji)想出的(de)(de)(de)妙招，既節(jie)約了成本，又減輕了重量。
此外，當(dang)著陸器(qi)接近(jin)月(yue)面時，發(fa)動機激(ji)起(qi)的月(yue)塵容易讓(rang)星(xing)敏(min)(min)感器(qi)“迷眼(yan)”，從(cong)而(er)影響后(hou)續上升器(qi)起(qi)飛。研制團隊專門設(she)計了(le)一個蓋(gai)子，可以在(zai)落月(yue)最后(hou)階(jie)段把(ba)星(xing)敏(min)(min)感器(qi)的鏡頭蓋(gai)起(qi)來，他們稱之為“天黑請閉(bi)眼(yan)”。待落月(yue)之后(hou)月(yue)塵散去(qu)，再讓(rang)星(xing)敏(min)(min)感器(qi)“睜眼(yan)”。
地月通信的橋梁
遠在38萬公里(li)外經歷生死考驗的嫦娥五號，一舉一動都令國(guo)人(ren)牽掛。好在通過各(ge)種天線(xian)和數據傳輸(shu)手段，地(di)面可(ke)以跟嫦娥五號保(bao)持(chi)聯(lian)系(xi)，隨時了解它的動態，向它發送指令。
在上(shang)升器(qi)上(shang)，裝有西安分院(yuan)研(yan)制的(de)(de)(de)測(ce)(ce)控(kong)天線(xian)，如同嫦娥(e)五(wu)號隨身攜(xie)帶(dai)的(de)(de)(de)手機，是它與地面之間(jian)測(ce)(ce)控(kong)通信(xin)的(de)(de)(de)主要依(yi)靠。而著陸器(qi)拍攝(she)的(de)(de)(de)落月照片(pian)，則(ze)由該(gai)院(yuan)研(yan)制的(de)(de)(de)數傳系統實時傳回，為地面決策提(ti)供依(yi)據。
相比地(di)面上(shang)的(de)手機，地(di)月通信距離遠了幾萬倍，數(shu)據發(fa)送(song)需要采用特(te)殊的(de)對(dui)地(di)定向(xiang)天(tian)(tian)線(xian)。由五院總體設計(ji)部設計(ji)的(de)定向(xiang)天(tian)(tian)線(xian)采用雙(shuang)軸驅動(dong)機構，就像(xiang)人的(de)肩(jian)、肘關節，能(neng)讓反射(she)面天(tian)(tian)線(xian)輻射(she)器靈活轉動(dong)，始(shi)終(zhong)對(dui)準地(di)面。為了滿足任務(wu)要求，反射(she)面天(tian)(tian)線(xian)的(de)設計(ji)輕量化到極(ji)致，相比同類天(tian)(tian)線(xian)減(jian)重了40%以上(shang)。
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