文章來(lai)源(yuan)：科技日(ri)報 發布時間：2021-12-04
2020年12月(yue)1日，嫦(chang)娥五號探(tan)測(ce)器(qi)的著陸(lu)上(shang)升組合體歷經主動減速、快速調整、接近(jin)、懸停避障、緩速下降和自由(you)下落階段，成功完成在(zai)月(yue)面預定區域的軟著陸(lu)。
這輕盈、穩健的一落，蘊(yun)藏著無數航天人的智(zhi)慧和心血。
邊飛邊找落點
對(dui)于嫦(chang)娥五號(hao)來說，落月只有一(yi)次機會，必須一(yi)次成功。
相比嫦(chang)娥三號、四(si)號，嫦(chang)娥五號對于著陸點(dian)的位置精度(du)和平整度(du)要(yao)(yao)求是空前的。由于涉及采樣完成后(hou)上(shang)升(sheng)(sheng)器要(yao)(yao)在月面起(qi)(qi)飛，嫦(chang)娥五號挑選落點(dian)的過程(cheng)，也(ye)是為后(hou)續(xu)上(shang)升(sheng)(sheng)器月面起(qi)(qi)飛選擇“發射場(chang)”的過程(cheng)，其降落區域內不(bu)能有太高的凸起(qi)(qi)、太深的凹坑，坡度(du)也(ye)需要(yao)(yao)符合任務(wu)要(yao)(yao)求。
簡單說，它是(shi)一邊(bian)飛行(xing)一邊(bian)尋找(zhao)落點(dian)，如同一次從600公里外開(kai)始(shi)、在(zai)15分(fen)鐘內完成的自主(zhu)“跳傘”。
為(wei)了實(shi)現“選址(zhi)正(zheng)確、落(luo)得準確”，嫦娥(e)五(wu)號(hao)采用了已經在(zai)嫦娥(e)三號(hao)和四號(hao)上(shang)(shang)成功(gong)應(ying)用的(de)“粗精接力避障”方(fang)式。這種(zhong)方(fang)式，是在(zai)由中國航(hang)天科技集(ji)團五(wu)院502所研制(zhi)的(de)制(zhi)導導航(hang)與控制(zhi)（GNC）系統指揮下，著(zhu)陸上(shang)(shang)升組合體先大推力反向制(zhi)動減速，然后快速調整姿態，對(dui)預(yu)定落(luo)區地形進行(xing)拍照識別，避開大的(de)障礙，實(shi)現“粗避障”，之(zhi)后再斜向落(luo)向選定的(de)著(zhu)陸點，飛到著(zhu)陸點正(zheng)上(shang)(shang)方(fang)后改(gai)為(wei)垂直(zhi)下降，在(zai)接近月面時關閉發動機，落(luo)在(zai)月球上(shang)(shang)。
探查落月路徑的眼睛
GNC系統在進(jin)行決(jue)策時，離不開各種數據支持(chi)。由五(wu)院(yuan)西安分院(yuan)研(yan)制的微波測距測速敏感(gan)器，如同一雙明亮的眼睛(jing)，感(gan)知(zhi)著嫦娥五(wu)號的落月路徑(jing)，并向(xiang)決(jue)策“大腦”傳遞信息。
據(ju)西安分(fen)院微(wei)波測距(ju)(ju)測速敏(min)感器主(zhu)任設計師張愛軍介紹，這部雷達在著陸上升組(zu)合體距(ju)(ju)離月球表面(mian)約15公里時(shi)開機，在距(ju)(ju)離月面(mian)6公里時(shi)正式開始工作。
“該雷達可以(yi)探(tan)測著(zhu)(zhu)陸器與(yu)月球表面的距(ju)離(li)，以(yi)及(ji)著(zhu)(zhu)陸器下降的速度(du)，并(bing)向(xiang)上升(sheng)器的制導導航與(yu)控制系統(tong)提供速度(du)和距(ju)離(li)的信息，以(yi)便(bian)著(zhu)(zhu)陸器判(pan)斷(duan)降落的落點和速度(du)。”張(zhang)愛軍(jun)說。
落月發動機有絕招
發(fa)動機為(wei)嫦娥五(wu)號安(an)(an)全(quan)落月(yue)提(ti)供(gong)了動力保障。不過，靠普通宇航發(fa)動機，是無法完成月(yue)面安(an)(an)全(quan)軟著陸任務的。
從航天科技集團六院了(le)解到，月(yue)球是真(zhen)空狀態，沒有大氣，意味著不能利用空氣摩擦實現(xian)減速。為(wei)完成探測(ce)器動力(li)下降、懸停等著陸階(jie)段動作，要求發動機具備推力(li)深度調節能力(li)。
2006年，六院正式啟(qi)動7500牛變推力發動機關鍵技(ji)術攻關。經過艱苦(ku)探(tan)索，研制團(tuan)隊(dui)先后突破“高性能、長壽命推力室”“流量精(jing)確調節與穩定”和(he)“發動機系統優化(hua)與集成”3大關鍵技(ji)術，發動機技(ji)術指標基本滿足探(tan)測器要求，為后續研制任務奠定了堅(jian)實(shi)基礎。
在7500牛變(bian)推力發動機鼎力支撐下(xia)，2013年12月(yue)(yue)，嫦(chang)娥三(san)號探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)完成了我(wo)國首次地(di)外天體(ti)軟著(zhu)陸；2019年1月(yue)(yue)，嫦(chang)娥四號探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)實現(xian)人類首次月(yue)(yue)背軟著(zhu)陸。這次，它又護送嫦(chang)娥五(wu)號著(zhu)陸上升組合體(ti)平穩(wen)落(luo)在月(yue)(yue)球。
“剎車指令員”責任重大
嫦娥(e)五號落月(yue)最后(hou)階(jie)段(duan)的發動機關機，需(xu)要有精(jing)準的指(zhi)令。中(zhong)國航天科工集團研制的γ關機敏感器，就是落月(yue)過程中(zhong)的“剎車指(zhi)令員”，責任重大(da)。
落月過程開(kai)始后，置于(yu)嫦娥(e)五號(hao)(hao)底部的(de)(de)γ關(guan)(guan)機敏(min)感器(qi)便實(shi)時(shi)測量著(zhu)(zhu)探測器(qi)與月面的(de)(de)距(ju)離。當嫦娥(e)五號(hao)(hao)落到距(ju)月面不足(zu)5米高度時(shi)，該設備發出關(guan)(guan)機指令(ling)，關(guan)(guan)閉(bi)軌(gui)控和姿控發動機。這一瞬間，決(jue)定著(zhu)(zhu)落月任(ren)務(wu)的(de)(de)成敗。隨著(zhu)(zhu)發動機反推(tui)力的(de)(de)撤(che)離，嫦娥(e)五號(hao)(hao)得以翩然落月。
據介紹，γ射線具備受外部環境(jing)干擾小、精度高(gao)(gao)等特點，因而被應用(yong)于對(dui)精度、可靠性要求(qiu)最高(gao)(gao)的載人航天和探(tan)月(yue)任務中(zhong)。此前，航天科工研制(zhi)的γ高(gao)(gao)度控制(zhi)裝置已經在神舟(zhou)飛船任務中(zhong)成功應用(yong)，護送航天員安全返回。
嫦娥五號的“腿”不一般
離(li)開了發動機的(de)反推，嫦娥五號是以自由落(luo)體(ti)形式(shi)著陸的(de)。雖(sui)然月球引力較小，降落(luo)高度(du)也(ye)不高，但(dan)撞擊月面時仍(reng)會形成一定沖(chong)擊載荷(he)。
這就(jiu)需要著陸緩(huan)沖系(xi)統發揮作用，吸收著陸時的沖擊載荷，同(tong)時保證探測(ce)器不翻倒、不陷落。
著陸(lu)緩沖機(ji)構，通(tong)俗地說就是嫦娥(e)五號(hao)(hao)的“腿”，是落月環節的技術難題(ti)之(zhi)一(yi)。嫦娥(e)五號(hao)(hao)的4條(tiao)“腿”可(ke)不一(yi)般，它(ta)們集緩沖、支撐(cheng)功能于一(yi)體，繼承了嫦娥(e)三號(hao)(hao)、四(si)號(hao)(hao)的完美基因，由五院機(ji)構分(fen)系統團隊(dui)精心(xin)設(she)計(ji)。
據了(le)解，該機構(gou)采用具有完全(quan)自主知(zhi)識產(chan)權的“偏置收攏(long)、自我壓緊(jin)”式方案，保證了(le)收攏(long)簡(jian)單、展開可靠(kao)，能(neng)解決著陸(lu)緩(huan)沖、著陸(lu)穩(wen)定性等多方面問題。
與嫦娥三號的著(zhu)陸(lu)緩(huan)沖(chong)(chong)設(she)計(ji)方案相(xiang)比，嫦娥五號任務由于難度增(zeng)加(jia)，著(zhu)陸(lu)緩(huan)沖(chong)(chong)能力要(yao)求提高了(le)30%，但機構(gou)重量指標(biao)卻減少了(le)5%。五院總體(ti)設(she)計(ji)部研制團隊最終解決(jue)了(le)這(zhe)個難題。
你不知道的精妙設計
嫦娥五(wu)號落(luo)月過程中，還有一些鮮為人知的精(jing)妙設計。
從表面看，是著(zhu)(zhu)(zhu)陸器(qi)(qi)“托著(zhu)(zhu)(zhu)”上(shang)升器(qi)(qi)降落到月面，實際(ji)上(shang)，著(zhu)(zhu)(zhu)陸器(qi)(qi)上(shang)GNC系(xi)統的工作，卻借助了上(shang)升器(qi)(qi)上(shang)的中央(yang)控制計算(suan)機和星敏(min)感器(qi)(qi)。
中央控制計算(suan)機是上(shang)升器(qi)(qi)在月面起飛(fei)時要用的(de)“最強(qiang)大腦”，星敏(min)感器(qi)(qi)則(ze)能(neng)讓上(shang)升器(qi)(qi)通過“看星星”來確(que)定自己的(de)姿(zi)態。
這樣的(de)“合(he)作”，是(shi)設計(ji)人員(yuan)結合(he)“上(shang)升器全(quan)程陪(pei)同著陸器”的(de)實際想(xiang)出的(de)妙招，既節約了成(cheng)本，又減(jian)輕了重量。
此(ci)外，當著陸器接近月面時，發動機激(ji)起(qi)的(de)月塵容易讓(rang)星敏(min)感器“迷眼”，從而影響后(hou)續上升器起(qi)飛。研制團隊(dui)專(zhuan)門設計(ji)了一(yi)個蓋子，可以(yi)在(zai)落月最后(hou)階段把(ba)星敏(min)感器的(de)鏡(jing)頭蓋起(qi)來，他們稱之(zhi)(zhi)為“天(tian)黑請閉(bi)眼”。待(dai)落月之(zhi)(zhi)后(hou)月塵散(san)去，再讓(rang)星敏(min)感器“睜眼”。
地月通信的橋梁
遠在38萬(wan)公里外經(jing)歷生死考(kao)驗(yan)的(de)嫦娥五(wu)號(hao)(hao)，一(yi)舉一(yi)動都(dou)令國人牽掛。好在通過各種(zhong)天線和數(shu)據傳輸手段，地面可以(yi)跟嫦娥五(wu)號(hao)(hao)保持聯系(xi)，隨時了解它(ta)的(de)動態，向(xiang)它(ta)發送指令。
在(zai)上(shang)升(sheng)器上(shang)，裝有(you)西安分院(yuan)研(yan)(yan)制的(de)測(ce)控(kong)天線，如同嫦娥五號隨身攜帶的(de)手機，是(shi)它與(yu)地(di)面之間(jian)測(ce)控(kong)通(tong)信的(de)主(zhu)要依靠。而著陸器拍(pai)攝的(de)落月照片，則由(you)該院(yuan)研(yan)(yan)制的(de)數傳系統實時傳回，為(wei)地(di)面決策提供(gong)依據(ju)。
相比(bi)地面(mian)上的(de)(de)手機，地月通信(xin)距離(li)遠了(le)幾萬倍，數(shu)據發送需要采用特殊(shu)的(de)(de)對地定(ding)向天(tian)線(xian)。由五(wu)院總體設計部設計的(de)(de)定(ding)向天(tian)線(xian)采用雙軸驅動機構，就像人(ren)的(de)(de)肩、肘關節，能讓反射面(mian)天(tian)線(xian)輻射器靈活轉(zhuan)動，始終對準(zhun)地面(mian)。為了(le)滿足任(ren)務(wu)要求，反射面(mian)天(tian)線(xian)的(de)(de)設計輕(qing)量化到極(ji)致，相比(bi)同類天(tian)線(xian)減重了(le)40%以上。
【責任編輯：趙藝涵】