上海造「太空郵差」將把月壤運回地球 用實力詮釋上海擔當
2020-11-26 上海熱線
作為我國探月工程三期的收官之戰，昨天飛奔月球的嫦娥五號將實現我國首次月球無人採樣返回的壯舉。
嫦娥五號探測器是迄今為止我國研製的最為複雜的太空飛行器系統，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個器組成，包含15個分系統。而出自上海航天技術研究院的軌道器，是此次探月之旅中名副其實的「太空郵差」。它將在相距38萬公裡的地球和月球之間，構建起一條太空「物流」特殊通道，既承擔地月往返運輸任務；又要在太空中穩妥地完成貨品的「接收」「裝箱」，將月壤投送回地球。
上海航天將再次用實力詮釋上海擔當。上海牌「太空郵差」將如何完成使命？又是如何練就獨門絕技的？
系統最複雜
技術上呈現「三多」特點
在嫦娥五號「挖土」返回的20多天徵途中，軌道器的使命將貫穿全程。發射升空後，這位「太空郵差」第一項任務是「運輸」。
作為一個自主飛行器，它負責攜帶著陸器、上升器和返回器，完成地月轉移、中途修正和近月制動。進入環月軌道後，軌道器與著陸器上升器的組合體分離，攜帶返回器留在軌道上等候上升器到來，完成「取件」。
上海航天技術研究院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷解釋說，著陸器與上升器組合體抵達月球，完成月壤樣品的採集後，上升器攜帶樣品從月面起飛，與等候在月球軌道的軌道器自主交會對接，將攜帶的樣品容器轉移至返回器。與對接艙、上升器分離後，軌道器將攜帶返回器進入月地轉移軌道；在距離地球5000公裡處與返回器分離，將返回器投送回地球。
「在嫦娥五號整個任務中，軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，是目前最複雜的空間飛行器之一。」查學雷說。
軌道器在技術上呈現「三多」特點：
一是飛行階段多。軌道器參與運載發射、地月轉移、近月制動、環月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移和再入回收等探測器系統11個飛行階段中的8個階段，史無前例。
二是器間狀態多。軌道器在飛行過程中有6種組合體狀態，承擔器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，軌道器任務過程要經歷多次變軌和姿態調整，軌道飛行、姿態控制難度大，機、電、熱接口可靠性要求高。
三是分離次數多。這次軌道器涉及5次分離，包括與火箭分離、與著陸上升組合體分離、與支撐艙分離、與對接艙上升器組合體分離、與返回器分離，在軌分離次數多，分離環境複雜，系統設計難度極大。
最重要使命
38萬公裡外對接「取件」
軌道器的最重要使命之一是「取件」。
在距離地球38萬公裡外的月球軌道上，軌道器與上升器自動交會對接，將上升器裡的樣品轉移到返回器。這也是人類太空飛行器首次在月球軌道上進行自動交會對接，並進行樣品轉移的嘗試。
上海航天技術研究院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花說，嫦娥五號創新性採用「抱爪式對接機構」，具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。通過增加連杆棘爪式轉移機構，實現對接與自動轉移功能一體化。這些設計理念均為世界首創，對接精度可達毫米級。
所謂抱爪，就像手握棍子的動作，兩個方向一用力，把棍子牢牢握在手中。探測器採用的對接機構就是由3套K形抱爪構成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連杆，將抱爪收緊，就可以實現兩器緊密連接。
軌道器和上升器對接完成後，上升器上裝有月壤的樣品容器將轉移到返回器中。連杆棘爪式轉移機構，採用非常巧妙的設計，「我們利用2套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器中。這個構型很像扎帶，相連後單方向傳遞，只能前進不能後退。」嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇說。
捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，但在38萬公裡之外高速運行的飛行器上實現遠沒有那麼簡單。
「月球軌道相對於地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。」對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲解釋，對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此，上海航天人做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部採用自動控制。
據介紹，嫦娥五號對接與樣品轉移機構填補了我國在輕小型對接機構工程化研究領域的空白，將為後續深空探測等任務提供有力支撐。
創多項首次
實現「雞蛋殼上掛秤砣」
太空中的嫦娥五號猶如變形金剛，「花式表演」背後是飛行狀態多、器間接口多、工作模式多、技術攻關難、地面驗證難等各種棘手問題。
上海航天人突破多項關鍵技術，將軌道器這個「太空郵差」打造成無敵小能手。
查學雷說，嫦娥五號任務全程，軌道器有5個分離面，既要保證組合狀態下器與器連得穩固，又要確保分離過程安全可靠。軌道器摒棄傳統的艙段間包帶連接方式，創新採用多點高強度分離螺母進行連接。這種連接方式，通過在各分離面配置不同數量的分離螺母，以滿足艙段間連接強度與剛度要求。
受探測器整體重量約束，「太空郵差」在具備強大承載能力的同時，還得「身輕如燕」。
為做到身材比例完美，軌道器首次使用大承載複雜構型輕量化結構；首次創新使用多次分離複雜構型；首次使用多冗餘路徑複合傳力結構；首次採用大承載複合材料一體成型插層變厚度承力球冠技術等七項創新技術，結構質量比達9.6%。僅46千克的承力球冠能承載3噸貯箱，具備30噸極限承載能力，真正做到「雞蛋殼上掛秤砣」。
值得一提的是，由於發射任務調整，嫦娥五號推遲發射三年，在此期間，嫦娥五號經歷5次加電自檢，用沉甸甸的數據證明軌道器功能性能沒有下降。
10年來，上海航天技術研究院研製團隊先後進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試，確保在自動對接與樣品轉移過程中萬無一失。
本文來源：東方網 作者：劉錕 責任編輯：顧銘
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