38萬公里之外的“太空牽手”

　　嫦娥五號實現(xiàn)我國首次月球軌道交會對接

　　38萬公里之外的“太空牽手”

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

　　當天凌晨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。

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

　　21秒一氣呵成的背后，是地面上千次測試

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

　　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，載人航天使用的對接機構，學名叫異體同構周邊式對接機構，在對接后可形成一個80厘米左右的通道，方便航天員在其中穿行；相應地，月球探測對探測器的質(zhì)量和空間有嚴苛限制，嫦娥五號的對接機構必須做到小而精，其重量要減小到周邊式對接機構的十五分之一，同時，還要具備樣品容器捕獲、自動轉(zhuǎn)移功能，重量更輕、精度更高、過程更穩(wěn)。

　　張玉花告訴記者，設計團隊在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構，這種機構具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構簡單、對接精度高等優(yōu)點，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構，實現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創(chuàng)。

　　“所謂‘抱爪’，形象地說，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇說。

　　據(jù)他介紹，嫦娥五號探測器采用的對接機構，由3套K形抱爪構成，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(xiàn)兩器的緊密連接。

　　而軌道器和上升器對接完成后，還要進行一個重要動作，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)移機構，采用了一個非常巧妙的設計，設計團隊利用兩套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，可以讓容器逐漸移動到返回器中。這個構型很像人們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進不能后退。

　　捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，要在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現(xiàn)，卻遠遠沒有那么簡單。

　　對接機構與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術負責人劉仲說，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——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，設計團隊作了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。

　　據(jù)他介紹，設計團隊構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)，先后進行了661次對接測試、518次樣品轉(zhuǎn)移測試，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉(zhuǎn)移過程的萬無一失。

　　“我們團隊甚至在試驗時故意加入一些小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，確保整個過程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠。”劉仲說。

　　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方。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唯一手段，為此次交會對接“牽線搭橋”。

　　據(jù)中國航天科工集團二院25所交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，在此前的載人航天工程任務中，中國航天器在近地軌道已進行過多次交會對接。但在距離38萬公里之外的月球軌道實施“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)星導航等服務資源，微波通信是中遠距離的唯一手段；月軌環(huán)境更復雜，要克服月球引力影響，自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻?！睂O武說。

　　他告訴記者，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(tǒng)提供兩航天器之間的相對運動參數(shù)，并進行雙向空空通信，兩部航天器根據(jù)雷達提供信號調(diào)整飛行姿態(tài)，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和容器轉(zhuǎn)移。

　　“因為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，采用了抱爪式的弱撞擊對接機構。這樣一來，需要微波雷達的測角精度更高。”孫武說。

　　微波雷達項目主任設計師賀中琴說，設計團隊采用了創(chuàng)新的誤差補償算法，進一步提高了微波雷達的測角精度，大幅提升了精準對接的勝算。

　　“我們?yōu)檫@次交會對接打造的不僅是‘千里眼’，還是‘順風耳’，升級后的它更小巧、更強大、更可靠。”孫武說。

　　據(jù)他介紹，微波雷達在保證交會對接測量“本職工作”的同時，還升級了航天器之間雙向空空通信的“第二職業(yè)”。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(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，雷達發(fā)消息，應答機答到。而現(xiàn)在它們不僅自己要通話，還要負責上升器和軌道器之間的信息傳遞。”賀中琴說。

　　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八院控制所研制的紅外及可見光雙譜段監(jiān)視相機，定格了發(fā)生在38萬公里之外高速運行的兩器“相擁”瞬間。

　　八院控制所光學導航專家鄭循江說，此次嫦娥五號所搭載的雙譜段監(jiān)視相機是一款專業(yè)拍照“神器”，其主業(yè)就是記錄軌道器與上升器的交會對接過程，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，與以往任務相機不同的是，這款相機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，實現(xiàn)紅外和可見光分別或同時成像。

　　鄭循江打了一個比方：這就相當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，地面人員也可以通過紅外相機記錄下全過程；當然，在有光照的情況下，如果光照太強，可見光相機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，則可確保全天時、全光照條件下記錄交會對接過程，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。該設備主管設計師王峰表示，要避免這種情況，就要從圖像、視頻壓縮技術上下功夫。項目團隊經(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?！安粌H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輸有效載荷的空間，我們探索了一條引民用技術為航天產(chǎn)品所用的技術途徑，同時也為時下熱門的商業(yè)航天和傳統(tǒng)航天產(chǎn)品降本增效提供了思路。”王峰說。

　　12月6日12時35分，在“太空牽手”大片傳回幾個小時之后，嫦娥五號再次迎來進展：其軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進入環(huán)月等待階段，準備擇機返回地球。

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

　　（記者 邱晨輝）

　　轉(zhuǎn)自：中國青年報

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