文章來源：科技日報 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(lu)上升組合體(ti)歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下(xia)降(jiang)和自由(you)下(xia)落(luo)階(jie)段，成功完成在(zai)月面預定(ding)區域(yu)的(de)軟著陸(lu)。
這輕盈(ying)、穩健的一落，蘊(yun)藏著無數航天人的智慧和心血。
邊飛邊找落點
對于嫦娥(e)五號來說，落月只(zhi)有一(yi)次機會，必(bi)須一(yi)次成功(gong)。
相比嫦娥三號(hao)、四號(hao)，嫦娥五號(hao)對于(yu)著陸點(dian)的位置精度和平整度要(yao)(yao)求是空(kong)前的。由于(yu)涉(she)及采樣(yang)完(wan)成后(hou)上(shang)升器要(yao)(yao)在月面(mian)起(qi)飛，嫦娥五號(hao)挑選落點(dian)的過程，也是為后(hou)續上(shang)升器月面(mian)起(qi)飛選擇(ze)“發射場”的過程，其降(jiang)落區域(yu)內不(bu)能有太高的凸起(qi)、太深的凹坑(keng)，坡度也需要(yao)(yao)符(fu)合(he)任務(wu)要(yao)(yao)求。
簡單說，它是一(yi)邊(bian)飛行一(yi)邊(bian)尋找落點，如同一(yi)次從600公里外開始、在15分鐘(zhong)內完成(cheng)的自(zi)主“跳傘”。
為了(le)實(shi)(shi)現“選址正確、落(luo)得(de)準確”，嫦娥五(wu)號(hao)(hao)采(cai)用(yong)了(le)已(yi)經在(zai)嫦娥三號(hao)(hao)和(he)四號(hao)(hao)上(shang)成功應用(yong)的(de)“粗精(jing)接力(li)避障”方式(shi)。這種方式(shi)，是在(zai)由中國航天科技(ji)集團五(wu)院502所研制(zhi)(zhi)的(de)制(zhi)(zhi)導導航與控(kong)制(zhi)(zhi)（GNC）系統指(zhi)揮下(xia)，著(zhu)陸(lu)上(shang)升組合體先大(da)推力(li)反向制(zhi)(zhi)動減速，然后(hou)快(kuai)速調整姿態，對預(yu)定落(luo)區地(di)形進(jin)行拍照識別，避開大(da)的(de)障礙，實(shi)(shi)現“粗避障”，之后(hou)再(zai)斜(xie)向落(luo)向選定的(de)著(zhu)陸(lu)點(dian)，飛到著(zhu)陸(lu)點(dian)正上(shang)方后(hou)改為垂直下(xia)降，在(zai)接近月面時(shi)關(guan)閉發動機，落(luo)在(zai)月球上(shang)。
探查落月路徑的眼睛
GNC系(xi)統在(zai)進行決策時，離不(bu)開各種數(shu)據支持。由五(wu)院西安分院研制的微波測距(ju)測速敏感(gan)器，如同一雙明亮的眼睛(jing)，感(gan)知著嫦娥五(wu)號的落月路徑，并向決策“大(da)腦(nao)”傳遞信息。
據西安分院微波測(ce)距(ju)測(ce)速敏感器主任設(she)計師(shi)張愛軍介(jie)紹，這部雷達在(zai)(zai)著陸上升組合(he)體距(ju)離(li)月(yue)(yue)球表面約15公(gong)里時開機，在(zai)(zai)距(ju)離(li)月(yue)(yue)面6公(gong)里時正(zheng)式(shi)開始(shi)工作(zuo)。
“該(gai)雷達可以(yi)(yi)探測著陸(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)與月球表面的(de)(de)距離(li)(li)，以(yi)(yi)及著陸(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)下降的(de)(de)速度，并向上升器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)制導(dao)導(dao)航(hang)與控制系統提供速度和距離(li)(li)的(de)(de)信息(xi)，以(yi)(yi)便著陸(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)判斷降落的(de)(de)落點(dian)和速度。”張愛軍說。
落月發動機有絕招
發動機為嫦娥(e)五號(hao)安(an)全(quan)落月提(ti)供了動力保障。不(bu)過，靠普通宇(yu)航發動機，是無法完成月面安(an)全(quan)軟著陸任務的(de)。
從航天科技集團六(liu)院了解到，月球(qiu)是真空狀(zhuang)態，沒有大(da)氣，意味著(zhu)不能利用空氣摩擦實現減速。為完成探測器動(dong)力下(xia)降、懸停等(deng)著(zhu)陸階(jie)段動(dong)作，要求發動(dong)機具備推力深(shen)度(du)調節能力。
2006年，六院(yuan)正式啟動(dong)7500牛(niu)變(bian)推(tui)力發動(dong)機(ji)關(guan)(guan)鍵技術攻關(guan)(guan)。經過艱苦探索，研(yan)制(zhi)團(tuan)隊(dui)先后突破“高(gao)性能(neng)、長(chang)壽命推(tui)力室”“流量精(jing)確(que)調節與穩(wen)定”和“發動(dong)機(ji)系統優化與集成”3大(da)關(guan)(guan)鍵技術，發動(dong)機(ji)技術指標基本滿足探測器要求，為后續研(yan)制(zhi)任務奠定了堅實基礎。
在7500牛變推力(li)發動機鼎力(li)支撐(cheng)下，2013年(nian)12月，嫦娥(e)三(san)號(hao)(hao)探測(ce)(ce)器完成了(le)我國首次地外天體(ti)軟(ruan)著陸(lu)；2019年(nian)1月，嫦娥(e)四號(hao)(hao)探測(ce)(ce)器實現人類首次月背軟(ruan)著陸(lu)。這次，它又護(hu)送嫦娥(e)五號(hao)(hao)著陸(lu)上升(sheng)組合體(ti)平穩落在月球。
“剎車指令員”責任重大
嫦娥五(wu)號落(luo)月(yue)最后階段的(de)發動(dong)機關機，需要(yao)有精準的(de)指令。中(zhong)國(guo)航天科工集團研制(zhi)的(de)γ關機敏感器，就是落(luo)月(yue)過程中(zhong)的(de)“剎(cha)車指令員(yuan)”，責任(ren)重大。
落月(yue)(yue)(yue)過程開始后，置于嫦娥(e)五(wu)號(hao)底部的(de)(de)γ關(guan)機敏感器便實(shi)時(shi)測量著(zhu)探測器與(yu)月(yue)(yue)(yue)面的(de)(de)距(ju)離。當嫦娥(e)五(wu)號(hao)落到距(ju)月(yue)(yue)(yue)面不(bu)足5米高度時(shi)，該(gai)設備發(fa)出關(guan)機指令，關(guan)閉軌(gui)控和姿控發(fa)動(dong)機。這一瞬間，決定著(zhu)落月(yue)(yue)(yue)任務的(de)(de)成敗。隨著(zhu)發(fa)動(dong)機反推力的(de)(de)撤離，嫦娥(e)五(wu)號(hao)得以翩然落月(yue)(yue)(yue)。
據(ju)介紹，γ射線具備受外(wai)部環境干擾(rao)小(xiao)、精度高等特點，因而被(bei)應(ying)用(yong)于對精度、可靠性要求最高的(de)載人航(hang)天(tian)和(he)探(tan)月(yue)任務中。此(ci)前，航(hang)天(tian)科工研制(zhi)的(de)γ高度控制(zhi)裝(zhuang)置(zhi)已(yi)經在神舟(zhou)飛船任務中成功應(ying)用(yong)，護(hu)送(song)航(hang)天(tian)員(yuan)安全返回。
嫦娥五號的“腿”不一般
離(li)開了(le)發動機的反推(tui)，嫦娥五號是以自由落體形式著陸的。雖(sui)然(ran)月球引(yin)力(li)較小，降落高(gao)度也(ye)不高(gao)，但撞擊月面(mian)時仍會形成一定(ding)沖(chong)擊載荷。
這就需要著(zhu)陸緩沖系統(tong)發揮作(zuo)用，吸收著(zhu)陸時的沖擊載荷，同時保證探測(ce)器不翻倒、不陷(xian)落。
著(zhu)陸緩沖機(ji)構，通俗地(di)說就是(shi)(shi)嫦娥(e)(e)五(wu)號的(de)(de)“腿(tui)”，是(shi)(shi)落月環(huan)節(jie)的(de)(de)技術(shu)難題之一。嫦娥(e)(e)五(wu)號的(de)(de)4條(tiao)“腿(tui)”可(ke)不一般，它們集緩沖、支撐功能于一體，繼承了(le)嫦娥(e)(e)三號、四號的(de)(de)完美(mei)基因(yin)，由(you)五(wu)院機(ji)構分系(xi)統團(tuan)隊精(jing)心設(she)計。
據了解(jie)，該機構采用具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我(wo)壓緊”式方案，保證了收攏簡單(dan)、展(zhan)開可靠，能解(jie)決(jue)著(zhu)(zhu)陸緩(huan)沖(chong)、著(zhu)(zhu)陸穩定(ding)性(xing)等多方面問(wen)題。
與嫦娥三(san)號的(de)著陸緩沖(chong)設(she)計方案(an)相比，嫦娥五號任務由(you)于難度增加，著陸緩沖(chong)能力要求提(ti)高了30%，但機(ji)構重(zhong)量(liang)指標卻減(jian)少了5%。五院(yuan)總體設(she)計部研(yan)制(zhi)團隊最(zui)終解決了這個(ge)難題。
你不知道的精妙設計
嫦娥五號落月(yue)過(guo)程(cheng)中，還有一(yi)些鮮(xian)為(wei)人知的精妙(miao)設計。
從表面(mian)(mian)看(kan)，是著陸(lu)器“托著”上升器降落到月面(mian)(mian)，實際上，著陸(lu)器上GNC系(xi)統(tong)的(de)工作，卻借(jie)助了上升器上的(de)中央控制(zhi)計算(suan)機和星敏(min)感器。
中央控制計算機是上升器(qi)在(zai)月面(mian)起飛(fei)時要(yao)用的“最強(qiang)大腦”，星(xing)(xing)敏感(gan)器(qi)則能讓上升器(qi)通過“看星(xing)(xing)星(xing)(xing)”來(lai)確定(ding)自己的姿(zi)態。
這樣的(de)(de)“合(he)作”，是設計人員(yuan)結合(he)“上(shang)升器全程(cheng)陪同(tong)著陸器”的(de)(de)實際想出的(de)(de)妙招，既節(jie)約了(le)成本(ben)，又減輕了(le)重量。
此外，當(dang)著陸(lu)器(qi)(qi)(qi)接近(jin)月(yue)面時，發動機激起的月(yue)塵容易(yi)讓星(xing)敏感器(qi)(qi)(qi)“迷(mi)眼(yan)”，從而影響(xiang)后(hou)(hou)續上升器(qi)(qi)(qi)起飛。研制團(tuan)隊專門設(she)計了一個(ge)蓋(gai)子，可以在落(luo)月(yue)最后(hou)(hou)階段把星(xing)敏感器(qi)(qi)(qi)的鏡頭蓋(gai)起來(lai)，他們稱之為“天黑請閉眼(yan)”。待(dai)落(luo)月(yue)之后(hou)(hou)月(yue)塵散去，再讓星(xing)敏感器(qi)(qi)(qi)“睜眼(yan)”。
地月通信的橋梁
遠在(zai)38萬公(gong)里外經(jing)歷生死考驗的(de)嫦(chang)娥(e)五號，一舉一動都令國人牽掛。好在(zai)通過各種天線(xian)和數據(ju)傳輸手段，地面(mian)可以跟(gen)嫦(chang)娥(e)五號保持聯系(xi)，隨時了解它(ta)的(de)動態，向它(ta)發送指令。
在上升(sheng)器上，裝(zhuang)有西(xi)安分院(yuan)研制的(de)測(ce)(ce)控天(tian)線，如同(tong)嫦(chang)娥五號隨(sui)身攜帶的(de)手機，是它與地面(mian)之間測(ce)(ce)控通信的(de)主要(yao)依(yi)靠。而著陸器拍攝的(de)落月照片，則由該院(yuan)研制的(de)數傳(chuan)系統實(shi)時傳(chuan)回(hui)，為(wei)地面(mian)決策提供依(yi)據。
相比(bi)地(di)面上(shang)的手機，地(di)月通信距離(li)遠了幾萬倍，數(shu)據發送需要采用特殊的對地(di)定向天(tian)線。由五院總體設計(ji)部設計(ji)的定向天(tian)線采用雙軸驅(qu)動(dong)(dong)機構，就像人(ren)的肩、肘關節，能讓反(fan)射面天(tian)線輻射器靈活轉(zhuan)動(dong)(dong)，始終對準地(di)面。為了滿足任務要求，反(fan)射面天(tian)線的設計(ji)輕量化到極致，相比(bi)同類天(tian)線減重了40%以上(shang)。
【責任編輯：趙藝涵】