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  记者从国家航天局获悉,北京时间12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接。

  从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程自主控制,轨道器和返回器组合体逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕获上升器,完成交会对接。

  后续,嫦娥五号轨道器和返回器组合体将与上升器分离,择机返回地球。

  月球轨道的浪漫牵手

  交会对接在我国航天领域已经是一项比较成熟的技术,此前的载人航天工程任务中,我国航天器在近地轨道已进行过多次交会对接,五战五捷的表现足以证明,我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是,这次是在距离38万公里之外的月球轨道,技术难度更大。

  在交会对接过程中,地面人员只能“观棋不语”不能参与其中,因为月球轨道的交会对接精度要求是厘米级,而目前地面对38万公里外的测控精度是公里级,加之相较于神舟飞船的交会对接,月球轨道每圈有1/3的时间位于不可测弧段,所以,人工导引至此结束,后续的交会和对接过程将由制导导航与控制(GNC)系统智能自主完成,这一过程称之为近程自主控制段,这对GNC系统的自主管理、自主诊断、自主重构等方面提出了极高的智能和可靠性要求。

  在近程自主控制段,GNC系统会实时调整自己的轨道和姿态,在微波雷达、激光雷达和交会对接相机的接力保障下,轨返组合体一步步追上上升器,直到可以牵手的距离,之后双方保持相同速度飞行。

  和我国现已掌握的地球轨道交会对接采用的小星追大星、用弱撞击的方式实现对接不同,嫦娥五号轨返组合体追上升器属于大星追小星,如果用撞击的方式对接会把上升器撞飞,所以,嫦娥五号采用的停控加抓取的方式,就是在轨道器追上上升器并以相同速度飞行过程中,从后面 “伸手”牵过上升器之后拉紧,实现对接。

  地球轨道上的交会对接如果不成功可以撤回来重来,嫦娥五号的月球轨道交会对接受制于月地返回窗口、热控、能源等约束,嫦娥五号月球轨道交会对接必须在规定时间内完成,若时间太长,则星上能源、热控将无法支撑;若一次不成功,撤回,重新组织,则地月关系发生变化,将有很大风险错过月地返回窗口,因此从保安全的角度可以说月球轨道交会对接任务是不可逆的,必须在规定时间内一次完成。

  为交会对接打造千里眼、顺风耳

  成功引导嫦娥五号实现首次月球轨道无人交会对接的关键技术还有由中国航天科工集团有限公司研制的微波雷达,它是探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段。

  月球轨道微波雷达由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100km时,微波雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数,并进行双向空空通信,两航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后,上升器中的月壤样品和容器转移。

  “与近地轨道相比,月球轨道没有卫星导航等服务资源,微波通信是中远距离的唯一手段。月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。”航天科工二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武介绍。

  装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会严重降低测角精度。据青年设计师纪博介绍,“为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩,“就像给’千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’了。”

  科研人员为这次交会对接打造的不仅是“千里眼”,还有“顺风耳”。

  微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”,从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。这就好比老师上课点名,以前是雷达发消息,应答机答“到”。而现在它们不仅自己要通话,还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。

  “抱爪”机构让对接更精准

  载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构,在对接后可形成一个80公分左右的通道,方便航天员在其中穿行。而与近地轨道的任务不同,月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制,嫦娥五号的对接机构必须做到小而精,其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一,同时,还要具备样品容器捕获、自动转移功能,重量更轻、精度更高、过程更稳。

  “抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此,我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。

  “所谓的抱爪,其实形象地说,就像我们手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的紧密连接。

  而轨道器和上升器对接完成后,还要进行一个重要动作,就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。

  “连杆棘爪式转移机构,采用了一个非常巧妙的设计。”胡震宇介绍,“我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带,相连后就只能单方向传递,只能前进不能后退。”

  来源/经济日报经点科学微信(记者姜天骄)

  供图/国家航天局、航天科工集团

责编:张阳

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