文章來源：科技日(ri)報 發布時間：2021-12-04
2020年12月1日，嫦(chang)娥五號探測器的(de)著陸上升組合(he)體歷經主動減速(su)、快速(su)調整、接近、懸停避障、緩速(su)下降(jiang)和自由下落(luo)階(jie)段，成功完成在月面預定區域的(de)軟(ruan)著陸。
這輕盈、穩健的(de)(de)一落，蘊藏(zang)著無(wu)數航天人的(de)(de)智慧和(he)心(xin)血。
邊飛邊找落點
對于(yu)嫦娥五號(hao)來說，落月只有一次(ci)機會，必須一次(ci)成功(gong)。
相比嫦(chang)娥(e)三號、四號，嫦(chang)娥(e)五(wu)號對于著陸點的(de)(de)位(wei)置精度(du)(du)和平整(zheng)度(du)(du)要求是(shi)空前的(de)(de)。由于涉及采樣完成(cheng)后(hou)(hou)上(shang)升(sheng)器要在月(yue)(yue)面起飛，嫦(chang)娥(e)五(wu)號挑選(xuan)落點的(de)(de)過程，也(ye)(ye)是(shi)為后(hou)(hou)續上(shang)升(sheng)器月(yue)(yue)面起飛選(xuan)擇“發射場”的(de)(de)過程，其降落區域(yu)內不(bu)能有太(tai)高的(de)(de)凸(tu)起、太(tai)深的(de)(de)凹坑(keng)，坡度(du)(du)也(ye)(ye)需(xu)要符(fu)合任務要求。
簡(jian)單說，它是一(yi)邊(bian)飛(fei)行一(yi)邊(bian)尋找落(luo)點，如同一(yi)次從(cong)600公(gong)里外開始、在15分鐘內完成(cheng)的自主“跳傘”。
為了實現“選址正確(que)、落(luo)得準(zhun)確(que)”，嫦(chang)娥五號采用(yong)了已經在(zai)(zai)嫦(chang)娥三號和四號上(shang)成功應(ying)用(yong)的(de)(de)“粗(cu)精接力避障(zhang)”方式。這種(zhong)方式，是(shi)在(zai)(zai)由中(zhong)國航天科技集團(tuan)五院502所(suo)研(yan)制的(de)(de)制導導航與控制（GNC）系統指揮下，著(zhu)陸上(shang)升組(zu)合體先大推(tui)力反向(xiang)制動減速，然(ran)后快速調整姿態，對(dui)預定落(luo)區地形進行拍照識別(bie)，避開大的(de)(de)障(zhang)礙，實現“粗(cu)避障(zhang)”，之后再斜向(xiang)落(luo)向(xiang)選定的(de)(de)著(zhu)陸點，飛(fei)到(dao)著(zhu)陸點正上(shang)方后改為垂直下降，在(zai)(zai)接近月面時關閉發動機，落(luo)在(zai)(zai)月球(qiu)上(shang)。
探查落月路徑的眼睛
GNC系統在進(jin)行決策時，離不開(kai)各(ge)種(zhong)數據支持。由五(wu)院西(xi)安(an)分(fen)院研制(zhi)的微(wei)波測距測速敏(min)感器，如(ru)同一雙明(ming)亮的眼睛，感知著嫦娥五(wu)號的落(luo)月路徑，并向決策“大腦”傳遞(di)信息。
據西安分院(yuan)微波測距(ju)(ju)(ju)測速(su)敏感器主任設計師張愛軍介紹，這(zhe)部雷(lei)達(da)在著陸(lu)上升組合體距(ju)(ju)(ju)離(li)月(yue)球表面約15公里時開機，在距(ju)(ju)(ju)離(li)月(yue)面6公里時正式開始(shi)工作(zuo)。
“該(gai)雷達可以(yi)(yi)探測著(zhu)陸(lu)(lu)器(qi)與月球(qiu)表面(mian)的距(ju)離(li)，以(yi)(yi)及著(zhu)陸(lu)(lu)器(qi)下降的速度，并向(xiang)上升器(qi)的制(zhi)導(dao)導(dao)航(hang)與控(kong)制(zhi)系統提供速度和距(ju)離(li)的信息(xi)，以(yi)(yi)便著(zhu)陸(lu)(lu)器(qi)判斷降落(luo)的落(luo)點和速度。”張愛軍說。
落月發動機有絕招
發(fa)動機為嫦娥五號安全落月(yue)提(ti)供了動力保障(zhang)。不過，靠普通宇航發(fa)動機，是無法完成(cheng)月(yue)面安全軟著陸任務(wu)的。
從航天科技(ji)集團六(liu)院了解(jie)到，月球是真空狀態，沒有大(da)氣，意(yi)味著不能利用空氣摩擦實現減(jian)速。為完成(cheng)探測器(qi)動力下降、懸停等(deng)著陸階段(duan)動作，要求發動機具(ju)備推力深(shen)度調節能力。
2006年，六(liu)院正式啟動(dong)7500牛(niu)變推力(li)發動(dong)機(ji)關鍵(jian)技術攻(gong)關。經(jing)過(guo)艱苦探索，研制團隊先后突破“高性(xing)能、長壽命(ming)推力(li)室(shi)”“流(liu)量精確(que)調(diao)節與(yu)穩(wen)定”和“發動(dong)機(ji)系統優(you)化與(yu)集成”3大關鍵(jian)技術，發動(dong)機(ji)技術指標基本滿足探測器要求(qiu)，為后續研制任(ren)務奠定了堅實基礎。
在7500牛(niu)變推力發動機鼎(ding)力支(zhi)撐下，2013年(nian)12月，嫦娥三(san)號探測器完(wan)成了我國首次(ci)地外天體(ti)軟(ruan)著(zhu)(zhu)陸；2019年(nian)1月，嫦娥四號探測器實現人類(lei)首次(ci)月背軟(ruan)著(zhu)(zhu)陸。這(zhe)次(ci)，它(ta)又護送嫦娥五號著(zhu)(zhu)陸上(shang)升組合體(ti)平(ping)穩落在月球。
“剎車指令員”責任重大
嫦娥五號落月最后階段的(de)發動機關機，需要有精準的(de)指令。中國航天科工集團研制(zhi)的(de)γ關機敏感器，就是(shi)落月過程(cheng)中的(de)“剎車指令員”，責(ze)任(ren)重大。
落(luo)月(yue)(yue)過程開(kai)始(shi)后，置于嫦娥五(wu)號底部的γ關(guan)機(ji)敏感器(qi)便實時測(ce)量著(zhu)(zhu)探(tan)測(ce)器(qi)與月(yue)(yue)面的距(ju)離。當嫦娥五(wu)號落(luo)到距(ju)月(yue)(yue)面不(bu)足(zu)5米高度時，該設備發(fa)出(chu)關(guan)機(ji)指令(ling)，關(guan)閉軌控和姿控發(fa)動(dong)機(ji)。這一瞬間，決定著(zhu)(zhu)落(luo)月(yue)(yue)任務的成敗。隨著(zhu)(zhu)發(fa)動(dong)機(ji)反推力(li)的撤離，嫦娥五(wu)號得以翩(pian)然落(luo)月(yue)(yue)。
據介紹(shao)，γ射線(xian)具備受外部環(huan)境干擾小(xiao)、精(jing)度(du)高(gao)等特(te)點，因而被應(ying)用于對精(jing)度(du)、可靠性要(yao)求最高(gao)的(de)載人航(hang)天(tian)和探月任(ren)務中(zhong)。此前，航(hang)天(tian)科工研(yan)制的(de)γ高(gao)度(du)控制裝(zhuang)置已經在神舟飛船任(ren)務中(zhong)成(cheng)功(gong)應(ying)用，護送航(hang)天(tian)員安全返回。
嫦娥五號的“腿”不一般
離開了發(fa)動機的(de)反推，嫦娥五號是以自由落體(ti)形(xing)式著陸的(de)。雖(sui)然月球引(yin)力較小(xiao)，降落高度也不高，但撞擊月面(mian)時(shi)仍會(hui)形(xing)成一定(ding)沖擊載荷。
這就需要著(zhu)陸緩沖(chong)系統發揮(hui)作用，吸收(shou)著(zhu)陸時的沖(chong)擊(ji)載(zai)荷(he)，同時保證(zheng)探測器不翻(fan)倒、不陷落(luo)。
著陸緩沖機構，通俗地說就是(shi)嫦(chang)娥(e)五號(hao)(hao)的(de)“腿”，是(shi)落(luo)月環節的(de)技術難題之(zhi)一(yi)。嫦(chang)娥(e)五號(hao)(hao)的(de)4條“腿”可不一(yi)般，它們集(ji)緩沖、支撐功能于一(yi)體，繼承了嫦(chang)娥(e)三(san)號(hao)(hao)、四(si)號(hao)(hao)的(de)完美基因，由五院機構分(fen)系統團隊精心設計。
據了(le)解，該機構采用具(ju)有完(wan)全(quan)自(zi)主知(zhi)識產權(quan)的“偏置收(shou)攏、自(zi)我壓(ya)緊(jin)”式(shi)方案，保(bao)證(zheng)了(le)收(shou)攏簡單、展(zhan)開可靠，能解決著陸(lu)(lu)緩沖、著陸(lu)(lu)穩(wen)定性等多方面問題(ti)。
與(yu)嫦娥(e)三(san)號的著(zhu)陸緩沖設計方(fang)案相比，嫦娥(e)五號任務由于難度增加，著(zhu)陸緩沖能力要求提高了(le)30%，但機構重量指標(biao)卻(que)減(jian)少了(le)5%。五院總體設計部研制團隊最終解決了(le)這個難題。
你不知道的精妙設計
嫦(chang)娥五號落月過程中，還有一些(xie)鮮為人(ren)知的精妙(miao)設計(ji)。
從表面看(kan)，是著陸器(qi)(qi)“托著”上(shang)(shang)升(sheng)器(qi)(qi)降落到月面，實際(ji)上(shang)(shang)，著陸器(qi)(qi)上(shang)(shang)GNC系統的工作，卻借助了(le)上(shang)(shang)升(sheng)器(qi)(qi)上(shang)(shang)的中(zhong)央控制計算(suan)機和(he)星敏感器(qi)(qi)。
中央控(kong)制計算機是(shi)上(shang)升器(qi)在月面起飛時要用的“最強大腦”，星敏感(gan)器(qi)則能讓上(shang)升器(qi)通過“看星星”來確定自己的姿(zi)態。
這樣的“合作(zuo)”，是設計人(ren)員結合“上升器(qi)全程(cheng)陪同著陸器(qi)”的實際想出的妙招，既節約了(le)成本，又減輕了(le)重(zhong)量。
此外(wai)，當著陸器(qi)(qi)接近月(yue)(yue)面(mian)時，發動機(ji)激起的月(yue)(yue)塵容(rong)易(yi)讓(rang)星敏(min)感(gan)器(qi)(qi)“迷眼(yan)”，從而影響后(hou)(hou)續上升器(qi)(qi)起飛。研制(zhi)團隊專門設計了一個蓋(gai)(gai)子，可以(yi)在落月(yue)(yue)最后(hou)(hou)階段把星敏(min)感(gan)器(qi)(qi)的鏡(jing)頭蓋(gai)(gai)起來，他們(men)稱之為“天黑請(qing)閉眼(yan)”。待落月(yue)(yue)之后(hou)(hou)月(yue)(yue)塵散去，再讓(rang)星敏(min)感(gan)器(qi)(qi)“睜眼(yan)”。
地月通信的橋梁
遠在38萬公里外經歷(li)生死(si)考驗的嫦(chang)娥(e)(e)五號，一(yi)舉一(yi)動都令國人(ren)牽掛。好(hao)在通過各種天線和數據傳輸手段，地面(mian)可以跟嫦(chang)娥(e)(e)五號保持聯系(xi)，隨時(shi)了解它(ta)(ta)的動態，向它(ta)(ta)發送指(zhi)令。
在上升(sheng)器上，裝有西安分(fen)院(yuan)研制的測控天(tian)線，如同嫦娥五號隨身(shen)攜帶的手(shou)機，是它與地面(mian)之間(jian)測控通信(xin)的主要(yao)依靠。而著陸器拍(pai)攝的落月照片，則(ze)由(you)該(gai)院(yuan)研制的數傳(chuan)(chuan)系統實時(shi)傳(chuan)(chuan)回(hui)，為地面(mian)決策提(ti)供依據。
相(xiang)比(bi)地(di)面上的手(shou)機(ji)，地(di)月通信(xin)距離(li)遠(yuan)了(le)(le)幾萬(wan)倍，數(shu)據發送需要(yao)采(cai)(cai)用特殊的對(dui)地(di)定向天線。由五院總體設(she)計(ji)(ji)部設(she)計(ji)(ji)的定向天線采(cai)(cai)用雙軸驅動機(ji)構，就像人的肩、肘關節，能讓反射(she)(she)面天線輻射(she)(she)器(qi)靈活轉(zhuan)動，始(shi)終(zhong)對(dui)準地(di)面。為了(le)(le)滿足(zu)任(ren)務要(yao)求，反射(she)(she)面天線的設(she)計(ji)(ji)輕(qing)量化到極(ji)致，相(xiang)比(bi)同類天線減重了(le)(le)40%以上。
【責任編(bian)輯：趙(zhao)藝涵(han)】