38萬公里之外的“太空牽手”

　　嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)我國首次月球軌道交會(huì)對(duì)接

　　38萬公里之外的“太空牽手”

　　12月6日，經(jīng)歷了6天的孤獨(dú)繞月之旅，嫦娥五號(hào)的軌道器作為此次探月任務(wù)的短駁車，終于等來了它的“乘客”——上升器，并相擁在一起。

　　當(dāng)天凌晨5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)接，并于6時(shí)12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。

　　這是我國首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接，也是距離地球38萬公里的首次“太空牽手”。中青報(bào)·中青網(wǎng)記者采訪相關(guān)航天專家，揭秘“牽手”背后的“黑科技”。

　　21秒一氣呵成的背后，是地面上千次測(cè)試

　　熟悉航天的人，對(duì)“交會(huì)對(duì)接”并不陌生，我國載人航天任務(wù)此前多次向公眾呈現(xiàn)過這一形式。然而，嫦娥五號(hào)所采用的具體對(duì)接方式，卻與之前大不相同。

　　中國航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花說，載人航天使用的對(duì)接機(jī)構(gòu)，學(xué)名叫異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，在對(duì)接后可形成一個(gè)80厘米左右的通道，方便航天員在其中穿行；相應(yīng)地，月球探測(cè)對(duì)探測(cè)器的質(zhì)量和空間有嚴(yán)苛限制，嫦娥五號(hào)的對(duì)接機(jī)構(gòu)必須做到小而精，其重量要減小到周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的十五分之一，同時(shí)，還要具備樣品容器捕獲、自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能，重量更輕、精度更高、過程更穩(wěn)。

　　張玉花告訴記者，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在嫦娥五號(hào)上采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，這種機(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)，通過增加連桿棘爪式轉(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)。

　　“所謂‘抱爪’，形象地說，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。”嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇說。

　　據(jù)他介紹，嫦娥五號(hào)探測(cè)器采用的對(duì)接機(jī)構(gòu)，由3套K形抱爪構(gòu)成，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。

　　而軌道器和上升器對(duì)接完成后，還要進(jìn)行一個(gè)重要?jiǎng)幼?，就是將上升器上裝有月球“‘土’特產(chǎn)”的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。

　　胡震宇說，連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，采用了一個(gè)非常巧妙的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用兩套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4次伸縮，可以讓容器逐漸移動(dòng)到返回器中。這個(gè)構(gòu)型很像人們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進(jìn)不能后退。

　　捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡(jiǎn)單的過程，要在38萬公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡(jiǎn)單。

　　對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲說，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)——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，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)作了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制。

　　據(jù)他介紹，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng)，先后進(jìn)行了661次對(duì)接測(cè)試、518次樣品轉(zhuǎn)移測(cè)試，通過不斷地測(cè)試、優(yōu)化，確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過程的萬無一失。

　　“我們團(tuán)隊(duì)甚至在試驗(yàn)時(shí)故意加入一些小故障，讓對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)判別，進(jìn)行故障排除，確保整個(gè)過程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠?！眲⒅僬f。

　　百公里外“牽線搭橋”，難度更大

　　完美“牽手”之前，先要讓軌道器和上升器靠近對(duì)方。中國航天科工集團(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)量的唯一手段，為此次交會(huì)對(duì)接“牽線搭橋”。

　　據(jù)中國航天科工集團(tuán)二院25所交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，在此前的載人航天工程任務(wù)中，中國航天器在近地軌道已進(jìn)行過多次交會(huì)對(duì)接。但在距離38萬公里之外的月球軌道實(shí)施“牽手”，還是第一次，因此難度更大。

　　“與近地軌道相比，月球軌道沒有衛(wèi)星導(dǎo)航等服務(wù)資源，微波通信是中遠(yuǎn)距離的唯一手段；月軌環(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，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?！睂O武說。

　　他告訴記者，當(dāng)軌道器、上升器相距約100公里時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向空空通信，兩部航天器根據(jù)雷達(dá)提供信號(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和容器轉(zhuǎn)移。

　　“因?yàn)殒隙鹞逄?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)雜受力過程，采用了抱爪式的弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)。這樣一來，需要微波雷達(dá)的測(cè)角精度更高?！睂O武說。

　　微波雷達(dá)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師賀中琴說，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了創(chuàng)新的誤差補(bǔ)償算法，進(jìn)一步提高了微波雷達(dá)的測(cè)角精度，大幅提升了精準(zhǔn)對(duì)接的勝算。

　　“我們?yōu)檫@次交會(huì)對(duì)接打造的不僅是‘千里眼’，還是‘順風(fēng)耳’，升級(jí)后的它更小巧、更強(qiáng)大、更可靠?！睂O武說。

　　據(jù)他介紹，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)，還升級(jí)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。而現(xiàn)在它們不僅自己要通話，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。

　　太空拍照“神器”完美記錄“擁抱”全過程

　　從“太空之吻”變成“月軌牽手”，由中國航天科技集團(tuán)八院控制所研制的紅外及可見光雙譜段監(jiān)視相機(jī)，定格了發(fā)生在38萬公里之外高速運(yùn)行的兩器“相擁”瞬間。

　　八院控制所光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江說，此次嫦娥五號(hào)所搭載的雙譜段監(jiān)視相機(jī)是一款專業(yè)拍照“神器”，其主業(yè)就是記錄軌道器與上升器的交會(huì)對(duì)接過程，以及軌道器與著陸器和上升器組合體分離、與支撐艙分離的過程。

　　據(jù)他介紹，與以往任務(wù)相機(jī)不同的是，這款相機(jī)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)遙控指令要求在6種拍攝模式中自由切換，實(shí)現(xiàn)紅外和可見光分別或同時(shí)成像。

　　鄭循江打了一個(gè)比方：這就相當(dāng)于給普通相機(jī)加了一個(gè)夜視儀，即使交會(huì)對(duì)接過程發(fā)生在月背，接受不到太陽光照，地面人員也可以通過紅外相機(jī)記錄下全過程；當(dāng)然，在有光照的情況下，如果光照太強(qiáng)，可見光相機(jī)拍攝的照片也存在過曝的可能，影響觀看效果。有了這款雙譜段相機(jī)，則可確保全天時(shí)、全光照條件下記錄交會(huì)對(duì)接過程，也可以讓公眾從紅外鏡頭的視角看看太空。

　　滿足清晰度和幀頻要求后，數(shù)據(jù)傳輸又成了大問題，如同一條單行道要承載雙倍的車流，擁堵在所難免。該設(shè)備主管設(shè)計(jì)師王峰表示，要避免這種情況，就要從圖像、視頻壓縮技術(shù)上下功夫。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多種嘗試，最終選擇了先插值再壓縮的方式，將壓縮后的數(shù)據(jù)下傳至地面解壓恢復(fù)。“不僅有效控制了研制成本，也給‘寸土寸金’的軌道器留出了更多運(yùn)輸有效載荷的空間，我們探索了一條引民用技術(shù)為航天產(chǎn)品所用的技術(shù)途徑，同時(shí)也為時(shí)下熱門的商業(yè)航天和傳統(tǒng)航天產(chǎn)品降本增效提供了思路?！蓖醴逭f。

　　12月6日12時(shí)35分，在“太空牽手”大片傳回幾個(gè)小時(shí)之后，嫦娥五號(hào)再次迎來進(jìn)展：其軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進(jìn)入環(huán)月等待階段，準(zhǔn)備擇機(jī)返回地球。

　　接下來，嫦娥五號(hào)探測(cè)器就要攜帶月球“土特產(chǎn)”，重新投入地球的懷抱了。

　?。ㄓ浾?邱晨輝）

　　轉(zhuǎn)自：中國青年報(bào)

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