揭秘:這些中國自主研製科技神器助力嫦娥五號探月
2020年12月28日06:32

原標題:揭秘:這些中國自主研製科技神器助力嫦娥五號探月

近日,國家航天局在京舉行探月工程嫦娥五號任務月球樣品交接儀式,嫦娥五號任務由工程實施階段正式轉入科學研究階段,我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究拉開序幕。

從11月24日發射入軌,到12月17日在內蒙古四子王旗預定區域著陸,嫦娥五號探測器經曆地月轉移、近月製動、在軌分離、平穩落月、鑽表取樣、月面起飛、交會對接及樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收等階段,在軌工作23天,成功攜帶月球“土特產”回家。其“繞、落、回”的不同階段,都有哪些我國自主研製的科技神器保障支撐?中國航天科工集團二院有關專家為我們揭秘。

測量雷達打造飛天觀測“第一雙眼”

11月24日,在長征五號運載火箭帶著焰尾拔地而起的幾分鐘內,兩部固定式脈衝測量雷達快速採集著火箭的飛行信息,確保指控中心能第一時間掌握全局,做好安控。

這是雷達測量的“第一雙眼”。

據二院23所相關專家介紹,從點火的那一刻開始,該所測量雷達就像“鷹眼”一樣,緊盯火箭飛行。

這兩部測量雷達主要用於運載火箭發射上升段的外彈道測量,為發射場指控中心實時提供火箭距離、方位、俯仰等精確坐標信息和徑向速度數據。一旦火箭飛行出現偏移軌道的狀況,立刻就能發現。

專家介紹,這兩部測量雷達不受雨雪颱風等天氣因素影響,因此在火箭飛行觀測的初始階段是扛大梁的。

測量雷達曾先後圓滿完成長征七號、長征五號首飛等數十次飛行任務,為嫦娥五號飛行保駕工作奠定紮實基礎。

在此次任務中,二院23所自主研發的聲表面波濾波器同時安裝在嫦娥五號及搭載飛行的長征五號火箭中,主要應用在測控、應答機等分系統,全力保障嫦娥五號信號接收、過濾雜波,以及各分系統信號接收、處理的有效進行。

專家介紹,航天器發射中一旦有了信號干擾,地面接收到的信息就好比接聽串了線的電話。

而聲表面波濾波器能夠輕鬆過濾掉“高次諧波、鏡像信息、發射漏泄信號以及各類寄生雜波干擾”等各種干擾信號,使發射場指控中心可以清晰接收準確信號。

專家介紹,為了濾除無用的信號干擾,更好助力嫦娥五號進行太空觀測,確保與地面中心的信號暢通,科技人員對每一個濾波器精雕細琢,聲表濾波器的最細線條寬度達到0.3微米,相當於頭髮絲直徑的1/200。

不僅如此,每一個合格的高可靠性聲表面波器件,都需要在高倍顯微鏡下“過關斬將”,並至少經曆3次超聲波或等離子清洗,由此保證了元器件的可靠性。

微波雷達助力月壤太空安全轉移

嫦娥五號的頻率信號,如同人體的脈搏。脈搏的穩定,是她正常工作的前提。

二院203所專家告訴記者,該所研製生產的數百隻自主可控晶體元器件,作為嫦娥五號中電子設備的心臟,牢牢穩住嫦娥飛行的脈搏。包括晶體振盪器、石英諧振器等在內的多種型號晶體元器件為工程的發射、測控、在軌飛行、采樣、返回等提供了穩定、可靠的頻率信號。

其中,某型高性能時鍾晶體振盪器,已經大量應用到我國探月工程,是著名的“功勳”產品。在嫦娥五號任務中,它再次成為多面手。從充當“千里眼和順風耳”的通訊設備、控制嫦娥精準著陸的控制系統,到拍攝“廣寒宮”的光學電子設備、控制嫦娥采樣返回的控制系統……處處都有它忙碌的身影。它為嫦娥五號在遙遠的太空中“控得住”、“采好樣”、“返得回”提供了有力保障。

還有為嫦娥系列研製的某型抗衝擊溫補晶體振盪器,其具有頻率準確、耐受衝擊的特點。此次嫦娥五號使用了數隻這樣高精度的抗衝擊溫補晶體振盪器。這些溫補晶體振盪器都處於“關鍵崗位”,它們的輸出信號頻譜乾淨,為嫦娥衛星信標機提供精準信號,同時還可以承受住1500個重力加速度衝擊,為最終定位提供精準信號,保證“嫦娥”平安回家。

另一型高精度溫補晶體振盪器,是頻率控制的“大咖”,它可以輸出更加精準穩定的頻率信號。專家介紹,經過進一步設計和工藝攻關後,能夠大幅提高嫦娥五號的性能指標和可靠性以及頻率穩定度,溫度工作範圍提高了近一倍,並具有良好的環境適應性。

依託首次月壤采樣返回任務,二院25所交會對接微波雷達首次實現月球軌道應用。

25所專家介紹,該所自主研製的月球軌道交會對接微波雷達,是實現月球軌道交會對接和月壤轉移的關鍵設備,用於嫦娥五號軌道器和上升器之間相對位置與相對姿態的精確測量,同時實現雙向空空通信,引導兩個航天器最終實現月球軌道交會對接,保證月壤采樣安全轉移。

不同於地球軌道交會對接,微波雷達在月球軌道交會對接是遠距離測量的唯一手段,也是保證上升器在環月軌道和軌道器對接並把月壤樣品轉移到軌道器的關鍵。

火箭發射後,微波雷達隨嫦娥五號探測器飛行約7天到達月球軌道。隨後,雷達主機及天線隨軌返組合體環月飛行,應答機主機及應答機天線隨著上組合體落月,完成月壤采樣。之後,上升器從月面起飛,進入環月軌道,開始月球軌道交會對接。

專家介紹,微波雷達在交會對接階段工作,從約100公里處開機工作,為導航控制分系統提供軌道器與上升器間的相對運動參數,同時進行雙向空空通信,直至對接機構捕獲鎖定上升器,將上升器中的月壤樣品和容器轉移到返回器。

搬運外骨骼現實版“鐵甲奇俠”抱嫦娥回家

在嫦娥五號返回器返回過程中,二院23所研製的兩部測量雷達承擔了高精度測量任務,並為指控中心提供實時測量數據,為前方搜救提供有效的目標落點數據。

專家告訴記者,距離落區較遠的雷達主要用於黑障區至地面的跟蹤測量。

嫦娥五號返回時,再入地球大氣層,與周圍空氣劇烈摩擦,導致返回器表面的高溫高壓電離氣體層隔絕其與地面測控站間的通信。這個中斷通信聯絡的區域被稱為“黑障區”。

二院23所研製人員根據十多年神舟系列飛船返回任務保駕工作經驗,著重針對“黑障區”內返回器對雷達存在隱身的現象做了充分準備,實時上報測量數據並預報返回艙著陸點,為飛船平安著陸後第一時間搜救打下堅實基礎。

處於回收任務最末端的跟蹤測量雷達,從返回器開傘後就開始對目標進行測量。返回器進入返回軌道末端後,該雷達通過無源定位體製實現對返回器從開傘後至落地階段的高精度定位,並提供全天時全天候的測量保障,為落點預報和返回器搜救提供了及時準確的數據信息。

引人注目的是,當嫦娥五號返回器在預定地點著陸後,二院206所搬運外骨骼助力搜救回收大隊成功搜救返回器。

“男友力”爆棚的搬運外骨骼,包含上肢助力模塊和下肢助力模塊,負載能力達50公斤。通過電動直驅助力模塊及智能步態分析算法,外骨骼配合人體上下肢關節發力,降低人體能耗,同時為穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力,幫助穿戴者承擔更大載荷,有效降低了手臂、腰臀等部位的疲勞感,適用於複雜地形下的重物握持及搬運。

搬運外骨骼堪稱現實版的國產“鐵甲奇俠”,其負載能力達50公斤,在負重搬運機動時可省力約60%,節約人體能耗約30%,動作識別準確率大於99.9%。它不嬌氣、不畏寒、不怕濕,可在零下40攝氏度至70攝氏度間正常工作,耐受濕度最大為98%,標配的可更換電池在綜合工況下可持續工作約4小時,能很好地在惡劣自然環境中執行嫦娥五號搜索回收任務。

搬運外骨骼並非“四肢發達、頭腦簡單”,可智能感知穿戴者肢體行為,並自適應實時調節輸出助力的大小、快慢,其結構輕巧、穿脫方便,人機交互順暢友好,穿戴者的複雜運動行為不受限。此外,其模塊化的設計構造,便於在應急狀態下快速維護。

此次任務中,兩名身穿搬運外骨骼系統的搜救回收隊員攜帶多套搜索設備,從直升機降落點快速機動至返回器著陸點,並在返回器旁插上一面鮮豔的五星紅旗。

專家介紹,穿上搬運外骨骼後,原本需要兩人共同搬運的設備,只需一人即可單獨完成,大大提升了單人負載機動能力,降低搜索回收作業人員體能消耗。

與此同時,搬運外骨骼還協助搜救回收大隊在返回器周邊快速搭建應急通訊、照明及電力保障體系,確保搜救回收任務快速、安全、高效完成,為整個嫦娥五號探月任務收官劃上圓滿句號。

(原題為《嫦娥五號的硬核保障》)

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