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交會對接!樣品轉(zhuǎn)移!嫦娥五號是怎樣完成這次“深情擁抱”的?

2020-12-06 18:40:56

來源:科技日報

  交會對接!樣品轉(zhuǎn)移!嫦娥五號是怎樣完成這次“深情擁抱”的?

  記者從國家航天局獲悉,北京時間12月6日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。

  軌道器逐漸接近上升器。(國家航天局供圖)

  從上升器進入環(huán)月飛行軌道開始,通過遠程導(dǎo)引和近程自主控制,軌道器和返回器組合體逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕獲上升器,完成交會對接。

  后續(xù),嫦娥五號軌道器和返回器組合體將與上升器分離,擇機返回地球。

  軌道器與上升器完成交會對接。(國家航天局供圖)

  那么這次38萬公里外的深情擁抱是怎樣完成的?

  對接機構(gòu)設(shè)計理念世界首創(chuàng)

  嫦娥五號采用的對接方式,與我國載人航天任務(wù)交會對接有很大區(qū)別。

  載人航天使用的對接機構(gòu)學(xué)名叫異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu),在對接后可形成一個80公分左右的通道,方便航天員在其中穿行。而月球探測對探測器的質(zhì)量和空間有嚴(yán)苛限制。嫦娥五號對接機構(gòu)必須小而精,重量要減小到周邊式對接機構(gòu)的15分之一,同時還要具備樣品容器捕獲、自動轉(zhuǎn)移功能。

  據(jù)中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹,研制團隊在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構(gòu),通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu),實現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化。這些設(shè)計理念是世界首創(chuàng)。

  嫦娥五號軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹,這套對接機構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成?!八^抱爪,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?!彼f,當(dāng)上升器靠近時,只要對準(zhǔn)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。

  捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移,過程看似簡單,要在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現(xiàn),卻并不那么容易。

  “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(wù)?!睂訖C構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲說,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。為此研制團隊做了35項故障預(yù)案,從啟動開始到交會對接,全部采用自動控制。

  交會對接模擬動畫。(來源:中國航天科工集團)

  他們還構(gòu)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。劉仲說,科研人員甚至故意在試驗中加入小故障,讓對接機構(gòu)自動判別,進行故障排除,以確保自動對接與樣品轉(zhuǎn)移過程萬無一失。

  從百公里外牽線搭橋

  實現(xiàn)完美對接之前,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”。

  記者從25所了解到,該雷達是一組成對產(chǎn)品,由雷達主機和應(yīng)答機組成,分別安裝在嫦娥五號軌道器和上升器上。當(dāng)兩器相距約100公里時,該雷達開始工作,不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩器之間的相對運動參數(shù),并進行雙向通信。兩器根據(jù)雷達提供信號調(diào)整飛行姿態(tài),直至對接機構(gòu)捕獲、鎖定。

  據(jù)交會對接微波雷達總工程師孫武介紹,在我國載人航天工程任務(wù)中,航天器在近地軌道進行過多次交會對接,都應(yīng)用了25所微波雷達。不同的是,這次交會對接是在38萬公里之外的月球軌道,難度更大。與近地軌道相比,月球軌道沒有衛(wèi)星導(dǎo)航等服務(wù)資源,微波通信是中遠距離測量的唯一手段。同時月軌環(huán)境更復(fù)雜,要克服月球引力影響,因此自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。

  為此,25所攻克了大寬角度測量等關(guān)鍵技術(shù)。

  此次交會對接是體量相差巨大的“大追小”復(fù)雜受力過程,采用了抱爪式的弱撞擊對接機構(gòu),這要求微波雷達的測角精度更高?!拔覀儾捎昧藙?chuàng)新的誤差補償算法,將微波雷達的測角精度從0.15°提高到了0.1°?!?微波雷達項目主任設(shè)計師賀中琴介紹說,精度的提高,使對接雙方在距離20米時,上升器對接機構(gòu)抱爪的鎖定圓面,從之前的半徑5厘米縮小到半徑3厘米。這2厘米之差,大幅提升了精準(zhǔn)對接的勝算。

  另外,上升器在落月時難免形成揚塵,有可能對對接用應(yīng)答機造成干擾,降低測角精度。為此,設(shè)計師在應(yīng)答機上安裝了用特殊材料制作的防塵罩,如同給千里眼戴上了護目鏡,規(guī)避了這一隱患。

  樣品轉(zhuǎn)移拒絕“卡殼”

  軌道器和上升器對接完成后,還要將上升器上裝有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器上。

  胡震宇介紹,該步驟所用連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu),采用了非常巧妙的設(shè)計。其利用2套倒三角形構(gòu)型的棘爪,通過4次伸縮,使得容器逐漸移動到返回器。

  為了實現(xiàn)樣品順利轉(zhuǎn)移,航天科技集團八院149廠對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)總裝團隊付出了艱辛勞動。

  據(jù)149廠副總經(jīng)理陸海濱介紹,對接機構(gòu)中對接環(huán)的運動位置精度和對中性,是影響月球樣品轉(zhuǎn)移成敗的關(guān)鍵因素之一。對接樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)是一種弱剛性結(jié)構(gòu),體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但功能一樣不少,這對在裝配中的測量數(shù)量、精度等要求更高。

  在轉(zhuǎn)移過程中,對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)形成了一個封閉式的微型隧道,受到了產(chǎn)品特性的6個自由度限位限制。研制期間,團隊主操作手吳駿和顧京海發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的運作在理論和實踐中存在偏差。由于6個自由度的限制,讓本來就屬于弱剛性的結(jié)構(gòu)很容易因外界壓力而產(chǎn)生細(xì)微形變,從而無法滿足5微米的橫向精度要求。

  “限制產(chǎn)品的6個自由度,本是為了確保樣品在轉(zhuǎn)移過程中的結(jié)構(gòu)約束。然而在試驗中,反而出現(xiàn)了‘卡殼’現(xiàn)象?!眳球E說。

  他們對傳送的運動軌跡和路徑進行了仔細(xì)分析,提出了將限位減少到左右和旋轉(zhuǎn)2個自由度的方案。于是,他們將原本是圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”,經(jīng)過不斷修改完善,最終使得轉(zhuǎn)移機構(gòu)運作過程中能夠不走偏并流暢地完成每一個指令和動作,各個位置的精度誤差均不超過5微米。

  完美記錄“擁抱”全過程

  這次發(fā)生在38萬公里外的交會對接過程,被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)視相機記錄了下來,完美呈現(xiàn)給千千萬萬關(guān)注著“嫦娥”的人們。

  與以往任務(wù)中使用的監(jiān)視相機不同,嫦娥五號搭載的雙譜段監(jiān)視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)各自光學(xué)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。

  控制所光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江介紹,該相機相當(dāng)于給普通相機加上了夜視儀,即使交會對接過程發(fā)生在月背,接受不到太陽光照,也可以通過紅外相機記錄下來。在有光照的情況下,如果光照太強,可見光相機拍攝的照片可能出現(xiàn)過曝的情況。而這款雙譜段相機可以確保全天時、全光照條件下記錄交會對接過程。

  為了給觀眾呈現(xiàn)高清畫質(zhì),該相機可見光譜段分辨率達到2048×2048;紅外譜段選用非制冷長紅外波段,分辨率為640×480。但要在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)紅外和可見光同時成像,數(shù)據(jù)量巨大,研制初期產(chǎn)品始終無法達到任務(wù)要求的幀頻。項目團隊通過優(yōu)化DSP軟件架構(gòu)和算法,提升了軟件運行效率。

  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。該產(chǎn)品主管設(shè)計師王峰表示,要避免這種情況,就要從圖像、視頻壓縮技術(shù)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,對不同工作模式采取不同的壓縮算法,利用幀間相關(guān)性,提高圖像質(zhì)量,最后將壓縮后的數(shù)據(jù)下傳至地面解壓恢復(fù)。

  海量數(shù)據(jù)的處理,讓元器件選用也頗費周章。宇航級器件可靠性高,但運行速度相對較低,無法滿足任務(wù)需求。項目團隊經(jīng)綜合考量,選用了工業(yè)級高性能8核處理器來提升數(shù)據(jù)處理速度,同時制定《低等級元器件質(zhì)保方案》,開展了抗總劑量輻照、熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、靜電放電等專項試驗,以確保產(chǎn)品的可靠性。

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