交會對接!樣品轉移!順利分離!嫦五這一波操作666!
2020年12月06日13:37

  12月6日5時42分,由航天科技集團五院抓總研製的嫦娥五號的上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接,並於6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國首次實現月球軌道交會對接。

  ▲軌道器逐漸接近上升器(來源:國家航天局)

  ▲軌道器與上升器完成交會對接(來源:國家航天局)

  雖然中國已經在載人航天工程中突破了太空自動和手動交會對接技術,可月球軌道和地球軌道交會對接有很多不同點。

  在交會對接之前,嫦娥五號軌返組合體通過4次軌道調整進入200公里環月圓軌道,等待上升器的到來。上升器通過人工遠程導引,進入210公里環月圓軌道,在軌返組合體的斜上方,使軌返組合體能“看到”它。

  因為月球軌道的交會對接精度要求是釐米級,而目前地面對38萬公裡外的測控精度是公里級,加之相較於神舟飛船的交會對接,月球軌道每圈有1/3的時間位於不可測弧段,所以,人工導引至此結束,後續的交會對接過程由航天科技集團五院502所研製的製導導航與控制(GNC)系統智能自主完成,這一過程被稱為近程自主控制段,這對GNC系統的自主管理、自主診斷、自主重構等方面提出了極高的智能和可靠性要求。

  ▲嫦娥五號軌道器和上升器月球軌道交會對接模擬圖

  在近程自主控制段,由GNC系統指揮,在微波雷達、激光雷達、交會對接成像敏感器的接力保障下,軌返組合體一步步追上上升器,直到可以牽手的距離,之後雙方保持相同速度飛行。

  其中,由航天科技集團五院西安分院研製的交會對接微波雷達就是通過捕獲、跟蹤、測量等一系列的手段為兩個飛行器的“穿針引線”式的交會對接瞄準“針眼”,實現精準對接。同時可以實現軌道器和上升器之間的雙向通信,包括指令等一些信息都要通過器間的雙向通信來實現。由航天科技集團五院502所研製的交會對接成像敏感器作為影響交會對接任務成敗的關鍵單機,是交會對接平移靠攏段從120米到對接完成唯一能夠同時進行位置和姿態六自由度測量的關鍵單機,好比飛行器的“眼睛”。

  在此次交會對接過程中,嫦娥五號軌返組合體追上升器屬於大星追小星,與我國現已掌握的地球軌道交會對接採用的小星追大星、用弱撞擊的方式實現對接不同。因為如果用撞擊的方式對接會把上升器撞飛,所以,嫦娥五號採用的是停控加抓取的方式,就是在軌道器追上上升器並以相同速度飛行過程中,從後面 “伸手”牽過上升器之後拉緊,實現對接。

  ▲嫦娥五號軌道器和上升器月球軌道交會對接模擬圖

  嫦娥五號的月球軌道交會對接受製於月地返回窗口、熱控、能源等約束,必須在規定時間內完成,若時間太長,則星上能源、熱控將無法支撐;若一次不成功,撤回,重新組織,則地月關係發生變化,將有很大風險錯過月地返回窗口,因此從保安全的角度說,月球軌道交會對接任務是不可逆的,必須在規定時間內一次完成。

  不僅交會對接的過程精巧細緻,交會對接的產品設計也極為精密。為保證多器之間月球樣品的通暢轉移,航天科技集團五院總體設計部研製團隊對各分系統的設計精度、裝配精度和製造精度有更嚴苛的考量。結構分系統、機構分系統、對接機構與樣品轉移分系統、采樣封裝分系統的研製團隊在進行指標分配時,保證裝配精度要達到毫米級,製造精度要達到微米級。

  ▲月球樣品由嫦娥五號上升器轉移至返回器模擬圖

  在樣本容器完成對接轉移後,通過精密的單向止回機構將月球樣品穩穩地固定在樣品艙內,並通過精巧設計的“轉動+平動”的操作機構緊緊關閉艙蓋。其中,樣品艙與艙蓋機構由航天科技集團五院總體設計部研製,在重量指標極其苛刻的前提下,樣品艙蓋能夠滿足多器以及多個分系統之間的複雜接口關係,這一產品看似小巧,實則肩負著守住月球樣品最後一步“打包”工作的重任。

  12月6日12時35分,嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器成功分離,進入環月等待階段,準備擇機返回地球。

  ▲嫦娥五號軌返組合體與上升器分離模擬圖

  來源:中國的航天;五院總體設計部,五院西安分院,五院502所

  文字:段遜;薛英民,張宇,葉耀坤,張學良

  編輯:胡瀟瀟

  責編:邵素芝

  監製:母國新

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