嫦娥五號翩然落月蘊藏的智慧
本報記者 付毅飛
2020年12月1日，嫦娥五號探測器的著陸上升組合體歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落階段，成功完成在月面預定區域的軟著陸。
這輕盈、穩健的一落，蘊藏著無數航天人的智慧和心血。
邊飛邊找落點
對於嫦娥五號來說，落月只有一次機會，必須一次成功。
相比嫦娥三號、四號，嫦娥五號對於著陸點的位置精度和平整度要求是空前的。由於涉及採樣完成後上升器要在月面起飛，嫦娥五號挑選落點的過程，也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程，其降落區域內不能有太高的凸起、太深的凹坑，坡度也需要符合任務要求。
簡單說，它是一邊飛行一邊尋找落點，如同一次從600公裡外開始、在15分鐘內完成的自主「跳傘」。
為了實現「選址正確、落得準確」，嫦娥五號採用了已經在嫦娥三號和四號上成功應用的「粗精接力避障」方式。這種方式，是在由中國航天科技集團五院502所研製的制導導航與控制（GNC）系統指揮下，著陸上升組合體先大推力反向制動減速，然後快速調整姿態，對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現「粗避障」，之後再斜向落向選定的著陸點，飛到著陸點正上方後改為垂直下降，在接近月面時關閉發動機，落在月球上。
探查落月路徑的眼睛
GNC系統在進行決策時，離不開各種數據支持。由五院西安分院研製的微波測距測速敏感器，如同一雙明亮的眼睛，感知著嫦娥五號的落月路徑，並向決策「大腦」傳遞信息。
據西安分院微波測距測速敏感器主任設計師張愛軍介紹，這部雷達在著陸上升組合體距離月球表面約15公裡時開機，在距離月面6公裡時正式開始工作。
「該雷達可以探測著陸器與月球表面的距離，以及著陸器下降的速度，並向上升器的制導導航與控制系統提供速度和距離的信息，以便著陸器判斷降落的落點和速度。」張愛軍說。
落月發動機有絕招
發動機為嫦娥五號安全落月提供了動力保障。不過，靠普通宇航發動機，是無法完成月面安全軟著陸任務的。
記者從航天科技集團六院了解到，月球是真空狀態，沒有大氣，意味著不能利用空氣摩擦實現減速。為完成探測器動力下降、懸停等著陸階段動作，要求發動機具備推力深度調節能力。
2006年，六院正式啟動7500牛變推力發動機關鍵技術攻關。經過艱苦探索，研製團隊先後突破「高性能、長壽命推力室」「流量精確調節與穩定」和「發動機系統優化與集成」3大關鍵技術，發動機技術指標基本滿足探測器要求，為後續研製任務奠定了堅實基礎。
在7500牛變推力發動機鼎力支撐下，2013年12月，嫦娥三號探測器完成了我國首次地外天體軟著陸；2019年1月，嫦娥四號探測器實現人類首次月背軟著陸。這次，它又護送嫦娥五號著陸上升組合體平穩落在月球。
「剎車指令員」責任重大
嫦娥五號落月最後階段的發動機關機，需要有精準的指令。中國航天科工集團研製的γ關機敏感器，就是落月過程中的「剎車指令員」，責任重大。
落月過程開始後，置於嫦娥五號底部的γ關機敏感器便實時測量著探測器與月面的距離。當嫦娥五號落到距月面不足5米高度時，該設備發出關機指令，關閉軌控和姿控發動機。這一瞬間，決定著落月任務的成敗。隨著發動機反推力的撤離，嫦娥五號得以翩然落月。
據介紹，γ射線具備受外部環境幹擾小、精度高等特點，因而被應用於對精度、可靠性要求最高的載人航天和探月任務中。此前，航天科工研製的γ高度控制裝置已經在神舟飛船任務中成功應用，護送航天員安全返回。
嫦娥五號的「腿」不一般
離開了發動機的反推，嫦娥五號是以自由落體形式著陸的。雖然月球引力較小，降落高度也不高，但撞擊月面時仍會形成一定衝擊載荷。
這就需要著陸緩衝系統發揮作用，吸收著陸時的衝擊載荷，同時保證探測器不翻倒、不陷落。
著陸緩衝機構，通俗地說就是嫦娥五號的「腿」，是落月環節的技術難題之一。嫦娥五號的4條「腿」可不一般，它們集緩衝、支撐功能於一體，繼承了嫦娥三號、四號的完美基因，由五院機構分系統團隊精心設計。
記者了解到，該機構採用具有完全自主智慧財產權的「偏置收攏、自我壓緊」式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，能解決著陸緩衝、著陸穩定性等多方面問題。
與嫦娥三號的著陸緩衝設計方案相比，嫦娥五號任務由於難度增加，著陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。五院總體設計部研製團隊最終解決了這個難題。
你不知道的精妙設計
嫦娥五號落月過程中，還有一些鮮為人知的精妙設計。
從表面看，是著陸器「託著」上升器降落到月面，實際上，著陸器上GNC系統的工作，卻藉助了上升器上的中央控制計算機和星敏感器。
中央控制計算機是上升器在月面起飛時要用的「最強大腦」，星敏感器則能讓上升器通過「看星星」來確定自己的姿態。
這樣的「合作」，是設計人員結合「上升器全程陪同著陸器」的實際想出的妙招，既節約了成本，又減輕了重量。
此外，當著陸器接近月面時，發動機激起的月塵容易讓星敏感器「迷眼」，從而影響後續上升器起飛。研製團隊專門設計了一個蓋子，可以在落月最後階段把星敏感器的鏡頭蓋起來，他們稱之為「天黑請閉眼」。待落月之後月塵散去，再讓星敏感器「睜眼」。
地月通信的橋梁
遠在38萬公裡外經歷生死考驗的嫦娥五號，一舉一動都令國人牽掛。好在通過各種天線和數據傳輸手段，地面可以跟嫦娥五號保持聯繫，隨時了解它的動態，向它發送指令。
在上升器上，裝有西安分院研製的測控天線，如同嫦娥五號隨身攜帶的手機，是它與地面之間測控通信的主要依靠。而著陸器拍攝的落月照片，則由該院研製的數傳系統實時傳回，為地面決策提供依據。
相比地面上的手機，地月通信距離遠了幾萬倍，數據發送需要採用特殊的對地定向天線。由五院總體設計部設計的定向天線採用雙軸驅動機構，就像人的肩、肘關節，能讓反射面天線輻射器靈活轉動，始終對準地面。為了滿足任務要求，反射面天線的設計輕量化到極致，相比同類天線減重了40%以上。
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來源： 科技日報