「嫦娥五號」奔月「挖土」,揭秘背後技術和關鍵「神器」

2020-12-05 騰訊網

嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面預選著陸區，成為我國第三個成功實施月面軟著陸的探測器。成功著陸後，著陸器在地面控制下，將正式開始持續約2天的月面工作，採集月球樣品。

揭秘：四項技能助力「嫦娥」完美落月

12月1日23時許，嫦娥五號探測器的著陸器、上升器組合體成功實現在月面預定區域軟著陸。

在歷經主動減速、快速調整、懸停避障、緩速下降等階段後，著陸器、上升器組合體最後穩穩地落於月面。

嫦娥五號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像

嫦娥五號探測器月球正面軟著陸後降落相機拍攝的圖像

「嫦娥」這一落看似輕盈，卻凝聚了科研人員的智慧。專家們通過一系列精巧的設計和技術攻關，確保了「嫦娥」完美落月。

粗精接力靈巧避障

嫦娥五號任務的落月和近月制動一樣，都只有一次機會，必須一次成功。由於還涉及採樣後上升器在月面起飛，所以嫦娥五號的落月過程也是為後續上升器在月面起飛選擇「發射場」的過程。

相較於此前的嫦娥三號、四號任務，嫦娥五號任務對於探測器著陸點的位置精度和平整度有空前高的要求：著陸區域內應沒有太高的凸起，沒有太深的凹坑，坡度也要符合任務要求。可以說，落月的過程就是著陸器、上升器組合體邊飛行邊找尋落點，在大約15分鐘內完成約600公裡外的全程自主跳傘。

▲落月過程動力下降段示意圖。圖片來源：國家航天局探月與航天工程中心

為了實現「選址正確，落得準確」，嫦娥五號探測器採用了五院502所研發的「粗精接力避障」的落月方式。落月過程中，在502所研製的制導導航與控制（GNC）系統的指揮下，著陸器、上升器組合體先是大推力反向制動快速減速，然後快速調整姿態並對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現「粗避障」；然後組合體在飛到距離月面100米時懸停，並再次對選定區域進行精確拍照，實現「精避障」；之後組合體再斜向下飄向選定的著陸點，在移動到著陸點正上方之後開始豎直下降，到距離月面較近時關閉發動機，然後利用著陸腿的緩衝實現軟著陸。

緩衝「腿」助「嫦娥」穩抱月球

落月的關鍵在於平穩。著陸器、上升器組合體在落月時，撞擊月面會對載荷形成較大的衝擊，必須設計相應的著陸緩衝系統，來確保探測器不翻倒、不陷落。這是落月的技術難題之一。著陸緩衝機構，通俗地說就是組合體的「腿」。

這四條緩衝、支撐一體化的「腿」可不一般，它們來自於機構分系統團隊精心設計、巧手研製。著陸緩衝機構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，解決了著陸緩衝、著陸穩定性等多方面的問題。

與嫦娥三號的著陸緩衝設計方案相比，由於任務難度增加，嫦娥五號任務的著陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。這為總體設計部的團隊成員帶來了不小的難題。面臨減重的難關，研製團隊反覆迭代，每次修改完設計，討論時一旦發現新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設計、繼續修改，最終成功滿足了設計指標，確保了嫦娥五號穩定可靠地完成與月球的親密擁抱。

「天黑請閉眼」設計確保著陸防塵

在著陸器、上升器組合體落月過程中還有兩個精妙的設計。雖然表面上看是著陸器「背著」上升器軟著陸到了月面上，但實際上整個落月的過程中，著陸器制導導航與控制系統的工作和智能自主的指揮過程都是藉助了「外腦」和「外眼」。這個「外腦」和「外眼」分別是上升器月面起飛時要用的「最強大腦」中央控制計算機和通過「看星星」確定自己姿態的星敏感器。這是設計人員根據「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。

由於距離月面較近時主發動機會激起的月塵汙染星敏感器，從而影響上升器在月面起飛，所以科研人員專門設計了蓋子，在距離月面一定的高度時把星敏感器的鏡頭蓋起來，大家稱之為「天黑請閉眼」，待落月之後月塵散去再通知星敏感器把蓋子打開，這一睜一閉之間，著陸器和上升器組合體已經順利著陸在月亮上。

輕量定向天線暢聯地月

「嫦娥」落月牽動著大家的心。38萬公裡外的探測器正經歷著什麼樣的考驗？所有的消息都需通過著陸器、上升器組合體的一口小小的「鍋」來時時傳送遙測數據。這個「小鍋」就是定向天線——把探測器上的數據傳輸到地面的發射轉換裝置。

從月球把數據發送回地球，通信距離是地面手機通信的幾萬倍。這就需要採取特殊的對地定向天線來發送數據。五院總體設計部科研人員設計的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅動機構。雙軸驅動機構就像人的肩關節、肘關節，驅動反射天線輻射器靈活地轉動，確保「小鍋」始終對準地面。此外，這款反射面天線採用了極致輕量化設計，相比同類天線減重40%以上，既輕便又可靠。

作為中國探月工程重大專項「繞落回」的收官之戰，「嫦娥五號」已完成落月任務，接下來將完成我國首次無人月面取樣返回。這也是繼1976年蘇聯Luna24取回月球樣品後，人類時隔44年再一次採集月球樣品並返回地球。

而月面採樣同樣需要很多高難技術，「嫦娥五號」去月球上「挖土」，顯然不是普通挖掘機能幹的事兒。為確保「挖土」能順利完成，「嫦娥五號」還搭載了不少「神器」。

揭秘：月球「挖土」背後關鍵「神器」

「嫦娥五號」的科學任務主要由探測器執行，上面裝載的有效載荷則是關鍵「神器」。據了解，嫦娥五號共配置了6臺有效載荷和1臺載荷管理器。6臺有效載荷分別是降落相機、全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀、月壤結構探測儀、國旗展示系統。

其中，月球礦物光譜分析儀是嫦娥四號「紅外成像光譜儀」的升級版，突破了紅外寬譜段譜段的分光器性及探測器性能提升，將光譜範圍擴展到了480～3200nm，除了能探測月球表面主要礦物輝石、橄欖石等，還具備探測3000nm附近的羥基吸收峰特徵的能力，用以完成對月面目標的光譜探測和分析任務，為採樣區月表物質成分和資源勘察，以及樣品實驗室測量結果比對研究提供科學數據。

月壤結構探測儀是一種工作於無載頻皮秒脈衝信號的探測雷達，探測深度可達3米，解析度達到釐米級。除可用於月壤厚度和結構探測外，它還可在月面鑽取工作前，對鑽取區的月壤下的石塊進行分析判斷，為鑽取策略提供支持。

月塵帶電測量儀由兩套相同的測量探頭組成，月塵帶電測量探頭是嫦娥五號著陸器工程參數測量分系統的一部分，它能夠對月球表面由自然環境影響引起的月塵帶電特性進行測量。每套探頭又分別由一組阻滯柵網（阻滯勢分析儀）和一臺微質量天平（粘性石英晶體微量天平）組成。

著陸器無損探傷測量儀是在著陸器著陸時，用來檢測與力學支撐結構連接處受衝擊產生的損傷狀況的儀器設備。此外，著陸器無損探傷測量儀還採用了先進的TMR無損檢測技術，該項技術是國際無損檢測技術的重要發展方向。

模擬動畫視頻：嫦娥五號探月取土（圖片來源：央視新聞）

「嫦娥五號」的使命是實現月球區域軟著陸及月面採樣返回，是中國首個實施無人狀態下月面採樣返回的太空飛行器，是探月工程中最關鍵的探測器，也是中國探月工程第三階段的收官之戰。這其中蘊藏了不少航天科研人員專家的智慧，而據悉這其中涉及的不少先進技術早已申請了國防專利或保密專利！不得不說，作為我國航天史上最難工程，「嫦娥五號」絕非浪得虛名。

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來源 | 北京日報、央視網、搜狐網

編輯 | 北京高沃智慧財產權（ID: gaowoip-com)

聲明 | 部分圖文內容源自網絡，版權歸原作者，侵刪~

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