交會(huì)對(duì)接！樣品轉(zhuǎn)移！嫦娥五號(hào)是怎樣完成這次“深情擁抱”的？

　　記者從國(guó)家航天局獲悉，北京時(shí)間12月6日5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)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(guó)首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接。

　　軌道器逐漸接近上升器。(國(guó)家航天局供圖)

　　從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開始，通過遠(yuǎn)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(huì)對(duì)接。

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

　　軌道器與上升器完成交會(huì)對(duì)接。(國(guó)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(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理念世界首創(chuàng)

　　嫦娥五號(hào)采用的對(duì)接方式，與我國(guó)載人航天任務(wù)交會(huì)對(duì)接有很大區(qū)別。

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

　　據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花介紹，研制團(tuán)隊(duì)在嫦娥五號(hào)上采用了抱爪式對(duì)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(duì)接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化。這些設(shè)計(jì)理念是世界首創(chuàng)。

　　嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹，這套對(duì)接機(jī)構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成。“所謂抱爪，就像我們手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”他說，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對(duì)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。

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

　　“月球軌道相對(duì)于地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，這就對(duì)時(shí)效性要求非常高，必須一氣呵成完成對(duì)接與轉(zhuǎn)移任務(wù)。”對(duì)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，對(duì)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(tuán)隊(duì)做了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制。

　　交會(huì)對(duì)接模擬動(dòng)畫。(來源：中國(guó)航天科工集團(tuán))

　　他們還構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng)，先后進(jìn)行了661次對(duì)接測(cè)試、518次樣品轉(zhuǎn)移測(cè)試。劉仲說，科研人員甚至故意在試驗(yàn)中加入小故障，讓對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)判別，進(jìn)行故障排除，以確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過程萬無一失。

　　從百公里外牽線搭橋

　　實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接之前，先要讓軌道器和上升器靠近對(duì)方。中國(guó)航天科工集團(tuán)二院25所研制的嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，作為中遠(yuǎn)距離測(cè)量的唯一手段，為此次交會(huì)對(duì)接“牽線搭橋”。

　　記者從25所了解到，該雷達(dá)是一組成對(duì)產(chǎn)品，由雷達(dá)主機(jī)和應(yīng)答機(jī)組成，分別安裝在嫦娥五號(hào)軌道器和上升器上。當(dāng)兩器相距約100公里時(shí)，該雷達(dá)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(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信。兩器根據(jù)雷達(dá)提供信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)，直至對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖定。

　　據(jù)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，在我國(guó)載人航天工程任務(wù)中，航天器在近地軌道進(jìn)行過多次交會(huì)對(duì)接，都應(yīng)用了25所微波雷達(dá)。不同的是，這次交會(huì)對(duì)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(yuǎn)距離測(cè)量的唯一手段。同時(shí)月軌環(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，因此自動(dòng)交會(huì)對(duì)接對(duì)微波雷達(dá)提出的要求極為苛刻。

　　為此，25所攻克了大寬角度測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。

　　此次交會(huì)對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)，這要求微波雷達(dá)的測(cè)角精度更高?！拔覀儾捎昧藙?chuàng)新的誤差補(bǔ)償算法，將微波雷達(dá)的測(cè)角精度從0.15°提高到了0.1°?！?微波雷達(dá)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師賀中琴介紹說，精度的提高，使對(duì)接雙方在距離20米時(shí)，上升器對(duì)接機(jī)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(duì)接的勝算。

　　另外，上升器在落月時(shí)難免形成揚(yáng)塵，有可能對(duì)對(duì)接用應(yīng)答機(jī)造成干擾，降低測(cè)角精度。為此，設(shè)計(jì)師在應(yīng)答機(jī)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(hù)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(duì)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(jī)構(gòu)，采用了非常巧妙的設(shè)計(jì)。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(dòng)到返回器。

　　為了實(shí)現(xiàn)樣品順利轉(zhuǎn)移，航天科技集團(tuán)八院149廠對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)總裝團(tuán)隊(duì)付出了艱辛勞動(dòng)。

　　據(jù)149廠副總經(jīng)理陸海濱介紹，對(duì)接機(jī)構(gòu)中對(duì)接環(huán)的運(yùn)動(dòng)位置精度和對(duì)中性，是影響月球樣品轉(zhuǎn)移成敗的關(guān)鍵因素之一。對(duì)接樣品轉(zhuǎn)移機(jī)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(duì)在裝配中的測(cè)量數(shù)量、精度等要求更高。

　　在轉(zhuǎn)移過程中，對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)形成了一個(gè)封閉式的微型隧道，受到了產(chǎn)品特性的6個(gè)自由度限位限制。研制期間，團(tuán)隊(duì)主操作手吳駿和顧京海發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的運(yùn)作在理論和實(shí)踐中存在偏差。由于6個(gè)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(gè)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(yàn)中，反而出現(xiàn)了‘卡殼’現(xiàn)象?！眳球E說。

　　他們對(duì)傳送的運(yùn)動(dòng)軌跡和路徑進(jìn)行了仔細(xì)分析，提出了將限位減少到左右和旋轉(zhuǎn)2個(gè)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(jī)構(gòu)運(yùn)作過程中能夠不走偏并流暢地完成每一個(gè)指令和動(dòng)作，各個(gè)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(huì)對(duì)接過程，被航天科技集團(tuán)八院控制所研制的紅外及可見光雙譜段監(jiān)視相機(jī)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(jī)不同，嫦娥五號(hào)搭載的雙譜段監(jiān)視相機(jī)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(shí)現(xiàn)紅外和可見光分別或同時(shí)成像。

　　控制所光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江介紹，該相機(jī)相當(dāng)于給普通相機(jī)加上了夜視儀，即使交會(huì)對(duì)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(jī)記錄下來。在有光照的情況下，如果光照太強(qiáng)，可見光相機(jī)拍攝的照片可能出現(xiàn)過曝的情況。而這款雙譜段相機(jī)可以確保全天時(shí)、全光照條件下記錄交會(huì)對(duì)接過程。

　　為了給觀眾呈現(xiàn)高清畫質(zhì)，該相機(jī)可見光譜段分辨率達(dá)到2048×2048；紅外譜段選用非制冷長(zhǎng)紅外波段，分辨率為640×480。但要在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)紅外和可見光同時(shí)成像，數(shù)據(jù)量巨大，研制初期產(chǎn)品始終無法達(dá)到任務(wù)要求的幀頻。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化DSP軟件架構(gòu)和算法，提升了軟件運(yùn)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(jì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多種嘗試，最終選擇了先插值再壓縮的方式，對(duì)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(fèi)周章。宇航級(jí)器件可靠性高，但運(yùn)行速度相對(duì)較低，無法滿足任務(wù)需求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)綜合考量，選用了工業(yè)級(jí)高性能8核處理器來提升數(shù)據(jù)處理速度，同時(shí)制定《低等級(jí)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(xiàng)試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的可靠性。