我國首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接，嫦娥五號完成在軌樣品轉(zhuǎn)移
38萬公里之外的親密“牽手”(科技自立自強(qiáng)·逐夢深空)
本報(bào)記者 余建斌 馮 華
《 人民日報(bào) 》( 2020年12月07日 第 12 版)
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12月6日凌晨，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。
這是我國首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接，也是人類首次在月球軌道進(jìn)行無人交會對接。按計(jì)劃，嫦娥五號將于12月中下旬返回地球。
肩負(fù)從月球取樣返回使命的嫦娥五號探測器，再次順利邁過重要關(guān)口。12月6日5時(shí)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(shí)12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。這是我國首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接，也是人類首次在月球軌道進(jìn)行無人交會對接。
月軌交會對接有多難
像浩瀚太空中的“穿針引線”
據(jù)國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，嫦娥五號上升器從月球表面成功起飛后，進(jìn)入交會對接初始軌道，隨之在地面測控系統(tǒng)遠(yuǎn)程導(dǎo)引下，到達(dá)軌返組合體的前方、上方預(yù)定位置。隨后，軌返組合體自主實(shí)施近程導(dǎo)引，靠攏上升器，用抱爪方式與上升器完成月球軌道交會對接，并最終完成在軌樣品轉(zhuǎn)移。
兩個航天器在空間的交會對接，好比是浩瀚太空中的“穿針引線”。我國航天器的近地軌道交會對接由“神舟”和“天宮”進(jìn)行過多次，但在月球軌道上還是第一次。
專家指出，此次交會對接在距離地球38萬公里之外的月球軌道，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，若時(shí)間太長，則星上能源、熱控將無法支撐。加上月球軌道每圈有1/3的時(shí)間位于月球背面，沒有測控信號，以及月球上空沒有衛(wèi)星導(dǎo)航星座為飛行器導(dǎo)航，要精確預(yù)測兩個航天器在月球軌道上飛行的位置和速度，達(dá)到交會對接所需的精度，對地面測控系統(tǒng)和導(dǎo)航控制技術(shù)都提出了很高要求。如果一次不成功，重新進(jìn)行交會對接需要2到3天來組織，有很大風(fēng)險(xiǎn)錯過月地轉(zhuǎn)移的返程窗口。
進(jìn)入交會對接過程的近程自主控制階段，地面人員只能“觀棋不語”。由于月球軌道的交會對接精度要求是厘米級，地月之間的距離過于遙遠(yuǎn)，因此這一階段的交會和對接過程將由航天器上的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)智能自主完成，技術(shù)難度很大。
在近程自主控制段，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整軌道和姿態(tài)，在微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和交會對接相機(jī)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，之后雙方保持相同速度飛行。
“與近地軌道相比，月軌環(huán)境更復(fù)雜，所以自動交會對接對微波雷達(dá)提出的要求極為苛刻?！敝袊教炜乒ざ?5所交會對接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，我國航天器在近地軌道進(jìn)行過多次交會對接，都成功應(yīng)用了微波雷達(dá)。這次為了引導(dǎo)首次月球軌道無人交會對接，又專門研制了嫦娥五號交會對接微波雷達(dá)。
當(dāng)軌返組合體、上升器相距約100公里時(shí)，微波雷達(dá)已開始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩航天器之間的相對運(yùn)動參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信，兩航天器根據(jù)雷達(dá)提供信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對接機(jī)構(gòu)捕獲并鎖定上升器。
怎樣確?！盃渴帧背晒?/strong>
首創(chuàng)抱爪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念
在月球軌道上，軌返組合體重達(dá)2.3噸左右，怎樣順利和重量400公斤左右的上升器在交會后緊緊“牽手”？
中國航天科技集團(tuán)的專家介紹，和我國已掌握的地球軌道交會對接采用的小星追大星、弱撞擊的方式實(shí)現(xiàn)對接不同，嫦娥五號軌返組合體追上升器屬于大星追小星，用撞擊的方式對接可能會把上升器撞飛。所以，嫦娥五號采用的停控加抓取的方式，就是在軌返組合體追上上升器并以相同速度飛行過程中，從后面“伸手”牽過上升器之后拉緊，實(shí)現(xiàn)對接。這個過程中，軌返組合體稍有不慎就會將身姿輕盈的上升器撞飛。這需要軌返組合體對于速度、位置和微重力環(huán)境、熱環(huán)境都有極為細(xì)致的把握，用極高的控制精度來保證任務(wù)完成。
為了緊密“牽手”，軌返組合體身上安裝了3個對接機(jī)構(gòu)主動件，也就是“抱爪”，在運(yùn)動過程中完全貼近上升器，并將上升器拉入懷中，完成“抱緊式”交會對接。
“抱爪機(jī)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點(diǎn)。我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機(jī)構(gòu)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計(jì)理念都算是首創(chuàng)?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花說。
“所謂的抱爪，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?！辨隙鹞逄栜壍榔骷夹g(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇說，探測器采用的對接機(jī)構(gòu)就是由3套抱爪構(gòu)成，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接。
軌返組合體和上升器對接完成后，還要進(jìn)行一個重要動作，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器，并穩(wěn)穩(wěn)固定在樣品艙。
在載人航天飛行任務(wù)中，當(dāng)神舟飛船和天宮實(shí)驗(yàn)室對接后，有足夠的通道空間供航天員穿艙而過。月球樣品雖小，但轉(zhuǎn)移的通道和進(jìn)入的容器也十分狹小。如此小的一個動作，在過去人類航天歷史上并沒有出現(xiàn)過。
捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運(yùn)行的航天器上實(shí)現(xiàn)并不簡單。對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲說，光是故障預(yù)案就做了35項(xiàng)。
交會對接后干什么
采取半彈道跳躍式辦法返回
12月6日12時(shí)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(jìn)入環(huán)月等待階段，準(zhǔn)備擇機(jī)返回地球。按計(jì)劃，嫦娥五號將于12月中下旬返回地球。
在我國歷次探月任務(wù)中，有過航天器在月球軌道上長期飛行，或是最后完全脫離月球引力場去更遠(yuǎn)的星際空間。從月球軌道上回到地球則是第一次。
專家指出，精確設(shè)計(jì)返回軌道是嫦娥五號返回器順利著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸點(diǎn)的關(guān)鍵保障。而對擔(dān)負(fù)搜尋回收嫦娥五號返回器任務(wù)的地面測控與回收系統(tǒng)來說，為了始終能“看見”航天器和月球，也要通過深空測控站、中繼衛(wèi)星和大洋上的航天測量船，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)︽隙鹞逄柕年P(guān)注。
當(dāng)嫦娥五號軌道器攜返回器由月球向地球呼嘯而來，在接近地球大約5000公里高度時(shí)會將返回器釋放出來。隨后返回器將獨(dú)自以每秒約11公里的第二宇宙速度返回地球，比從近地軌道返回地面的神舟載人飛船返回艙要快得多。
為了解決減速難題，科技人員設(shè)計(jì)了半彈道跳躍式返回的辦法。當(dāng)返回器進(jìn)入地球大氣層后，經(jīng)過減速，將再次跳出大氣層，隨后再進(jìn)行第二次進(jìn)入大氣層。通過這種方式，進(jìn)入地球大氣層的返回器速度就將從十幾公里每秒降低到七點(diǎn)幾公里每秒，從而達(dá)到安全降落地面的目的。