我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接　　 月壤樣品成功“轉(zhuǎn)移”嫦娥五號(hào)準(zhǔn)備擇機(jī)返回地球

　　北京青年報(bào)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)航天器首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接。其中，通過(guò)遠(yuǎn)程導(dǎo)引和近程自主控制，軌道器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。

　　6日12時(shí)35分，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體又與上升器成功分離，進(jìn)入環(huán)月等待階段，準(zhǔn)備擇機(jī)返回地球。

　　揭秘

　　嫦娥五號(hào)如何完成完美“擁抱”

　　嫦娥五號(hào)采用

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　　距離地球38萬(wàn)公里外的太空中，體重達(dá)2.3噸的軌道器和返回器組合體，是怎樣與體重僅有400公斤左右的上升器實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的交會(huì)對(duì)接、順利轉(zhuǎn)移樣品容器的？實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的核心，就是由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院研制的對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。

　　據(jù)八院相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人介紹，月球軌道的交會(huì)對(duì)接精度要求是厘米級(jí)，而目前地面對(duì)38萬(wàn)公里外的測(cè)控精度是公里級(jí)，加之相較于神舟飛船的交會(huì)對(duì)接，月球軌道每圈有1／3的時(shí)間位于不可測(cè)弧段，所以，軌返組合體與上升器交會(huì)、對(duì)接的過(guò)程只能由制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)智能自主完成，這一過(guò)程稱之為近程自主控制段，這對(duì)GNC系統(tǒng)的自主管理、自主診斷、自主重構(gòu)等方面提出了極高的智能和可靠性要求。

　　與我國(guó)現(xiàn)已掌握的地球軌道交會(huì)對(duì)接采用小星追大星、用弱撞擊的方式不同，嫦娥五號(hào)軌返組合體追上升器屬于大星追小星，如果用撞擊的方式對(duì)接會(huì)把上升器撞飛，所以，嫦娥五號(hào)采用的是停控加抓取的方式：GNC系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整自己的軌道和姿態(tài)，在微博雷達(dá)、激光雷達(dá)和交會(huì)對(duì)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的過(guò)程中，軌返組合體從后面 “伸手”牽過(guò)上升器之后拉緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

　　“抱爪”像“人手握棍子”

　　設(shè)計(jì)理念世界首創(chuàng)

　　“抱爪機(jī)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們?cè)阪隙鹞逄?hào)上采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，通過(guò)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)理念都是世界首創(chuàng)。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花說(shuō)。

　　“所謂的抱爪，形象地說(shuō)，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?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹，探測(cè)器采用的對(duì)接機(jī)構(gòu)就是由3套K形抱爪構(gòu)成的，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，看似簡(jiǎn)單的過(guò)程，但在38萬(wàn)公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)卻沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

　　“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)?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)八院對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲解釋道，“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，我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開(kāi)始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制。”

　　交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)

　　可靠的“對(duì)接助手”

　　此次，由中國(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“助手”，成功引導(dǎo)完成了嫦娥五號(hào)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

　　微波雷達(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)的軌道器和上升器上。當(dāng)軌道器、上升器相距約100公里時(shí)，微波雷達(dá)開(kāi)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(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向通信，兩航天器根據(jù)雷達(dá)信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖定上升器。隨后，上升器中的月壤樣品轉(zhuǎn)移至返回器中。

　　交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，此前的任務(wù)中，我國(guó)航天器在近地軌道進(jìn)行過(guò)多次交會(huì)對(duì)接，都應(yīng)用了該微波雷達(dá)，優(yōu)異的表現(xiàn)證明，我國(guó)已經(jīng)成功掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)。但不同的是，這次交會(huì)對(duì)接是在38萬(wàn)公里之外的月球軌道，難度更大?！芭c近地軌道相比，月球軌道環(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，所以自動(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，研制團(tuán)隊(duì)攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)?！睂O武說(shuō)。

　　嫦娥五號(hào)的軌道器和上升器交會(huì)對(duì)接，是體量相差巨大的“大追小”復(fù)雜受力過(guò)程，需要微波雷達(dá)的測(cè)角精度更高。微波雷達(dá)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師賀中琴介紹，微波雷達(dá)主要作用在100公里到20米的中遠(yuǎn)程范圍，精度的提高大幅提升了精準(zhǔn)對(duì)接的勝算。

　　“太空攝影師”

　　拍下月壤樣品返回對(duì)接

　　6日6時(shí)許，在38萬(wàn)公里外的環(huán)月軌道，航天器上的鏡頭清晰地記錄了嫦娥五號(hào)上升器攜帶月壤樣品與軌返組合體的交會(huì)對(duì)接過(guò)程。這張“硬核大片”背后的太空攝影師，是中國(guó)航天科技集團(tuán)八院控制所研制的紅外及可見(jiàn)光雙譜段監(jiān)視相機(jī)。

　　八院控制所光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江介紹，該相機(jī)主要記錄嫦娥五號(hào)軌道器與上升器的交會(huì)對(duì)接過(guò)程，以及軌道器與著陸器/上升器組合體分離、與支撐艙分離過(guò)程，集紅外和可見(jiàn)光成像于一體。紅外和可見(jiàn)光傳感器經(jīng)各自的光學(xué)鏡頭，獲取圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)遙控指令的要求，可在六種拍攝模式中自由切換，實(shí)現(xiàn)紅外和可見(jiàn)光分別或同時(shí)成像。

　　“相當(dāng)于給普通相機(jī)加了一個(gè)夜視儀，即使交會(huì)對(duì)接過(guò)程發(fā)生在月背，接受不到太陽(yáng)光照，我們也可以通過(guò)紅外相機(jī)記錄下全過(guò)程，確保全天時(shí)、全光照條件下記錄交會(huì)對(duì)接過(guò)程?！编嵮f(shuō)。

　　該相機(jī)的可見(jiàn)光譜段分辨率達(dá)到2048×2048，紅外譜段分辨率為640×480。在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了紅外和可見(jiàn)光同時(shí)成像，從而給地球上的觀眾帶來(lái)了高清的視覺(jué)感受。

　　升級(jí)

　　微波雷達(dá)每減輕一克重量都意義重大

　　事實(shí)上，25所研制團(tuán)隊(duì)為這次交會(huì)對(duì)接打造的微波雷達(dá)，不僅是“千里眼”，更是“順風(fēng)耳”，升級(jí)后的它更小巧、更強(qiáng)大、更可靠。

　　微波雷達(dá)在保證交會(huì)對(duì)接測(cè)量“本職工作”的同時(shí)，還開(kāi)發(fā)了航天器之間雙向空空通信的“第二職業(yè)”，從雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)之間“一問(wèn)一答”的傳輸方式，升級(jí)至軌道器與上升器之間的“溝通對(duì)話”，實(shí)現(xiàn)了遙控指令和遙測(cè)參數(shù)的雙向傳輸。

　　“以前就像老師上課點(diǎn)名，雷達(dá)發(fā)消息，應(yīng)答機(jī)答到?，F(xiàn)在，它們還要負(fù)責(zé)上升器和軌道器之間的信息傳遞?！辟R中琴說(shuō)。

　　同時(shí)，在此前交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)減重一半的基礎(chǔ)上，這次又進(jìn)一步開(kāi)展了輕量化改進(jìn)?！懊恳豢酥亓康臏p輕，對(duì)嫦娥五號(hào)任務(wù)的意義都是重大的?！睂O武說(shuō)。

　　此外，裝有對(duì)接用應(yīng)答機(jī)的上升器在落月時(shí)難免形成揚(yáng)塵，這些肉眼不可見(jiàn)的干擾將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)角精度。

　　為確保安全度過(guò)月球之旅，設(shè)計(jì)師們?cè)趹?yīng)答機(jī)上安裝了特殊材料制成的防塵罩，“就像戴上了護(hù)目鏡，嫦娥的‘千里眼’就不會(huì)變成近視眼?！?5所設(shè)計(jì)師紀(jì)博說(shuō)。

　　本版文/本報(bào)記者 雷嘉

　　通訊員 段遜 綜合新華社