「嫦娥五號」開啟月球採樣之旅 西安硬科技貢獻「最強大腦」

　　2020年11月24日凌晨4時30分，在中國文昌航天發射場，長徵五號遙五運載火箭成功將「嫦娥五號」月球探測器發射升空，開啟了人類時隔48年的月球探測地月往返之旅。

　　「嫦娥五號」的成功發射，標誌著我國探月工程「繞、落、回」順利邁出了最後一步，它將實現中國航天史上首次在月球表面自動採樣，首次從月面起飛，首次在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接，首次帶月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

　　據悉，這次任務不僅將創造中國多個「第一次」，也是工程難度最大、技術難度最高、關鍵環節最多的深空探測任務。位於西安的中國航天科技集團六院、五院西安分院、四院、九院771所，以及西安衛星測控中心等單位都在這次發射任務中承擔了重要職責。

　　航天科技集團六院：

　　107臺發動機為「嫦娥五號」探月返鄉提供全程動力

　　在「嫦娥五號」地月往返76萬多公裡的漫漫徵程中，總部位於西安航天產業基地的中國航天科技集團第六研究院研製的107臺大小發動機，為這次任務提供了所有動力。

　　據六院專家介紹，發射嫦娥五號探測器的長徵五號遙五運載火箭，配套了六院研製的30臺火箭發動機。其中，8臺120噸級液氧煤油發動機、2臺50噸級氫氧發動機、2臺9噸級氫氧發動機，全部是我國新一代綠色環保發動機。除了這12臺主發動機外，還有安裝在火箭二級氧箱尾部的的輔助動力系統，它們由18臺性能不一的姿控發動機以及配套氣瓶、閥門、管路和貯箱組成，是唯一涵蓋增壓氣體裝置、輸送系統、推進劑貯存裝置和推力室的獨立、完整的動力系統，負責火箭二級發動機滑行階段的推進劑沉底管理、姿態控制和星箭分離前的末速修正。

　　嫦娥五號探測器主要由著陸器、上升器、軌道器、返回器四器組成，六院為其中的軌道器、上升器和著陸器研製了三套推進分系統，該推進系統也是目前空間飛行器最複雜的推進系統。這三套推進分系統由77臺大小不同、性能各異的軌姿控發動機組成。其中，軌道器上的一臺3000N發動機，將為地月轉移、月地轉移中途修正、近月制動、離月加速提供推力。上升器上的另外一臺3000N發動機，將為月面起飛提供推力，相當於月球上的一枚微縮版的運載火箭。一臺7500N變推力發動機，將完成探測器著陸組合體在月面的軟著陸任務。

　　航天科技集團九院771所：

　　為火箭和探測器製造「大腦」

　　航天科技集團九院771所專家介紹，長徵五號遙五運載火箭能夠穩定飛行，離不開九院771所研製的箭載計算機。它相當於火箭的「大腦」，可以有條不紊地完成箭體參數錄取、飛行軌跡誤差修正，以及控制指令輸出等多項複雜的控制任務，確保火箭穩定飛行。為保證火箭「大腦」健康，其內部還設計了特有的「聽診器」，能夠自動「聽診」飛行控制軟體運行過程中的各類重要參數，可及時、有效地發現系統中存在的隱患問題，為控制系統的故障定位提供判定依據。

　　此外，771所還為嫦娥五號探測器上升器、返回器數管分系統的綜合管理單元研製了核心部件——CPU模塊。該綜合管理單元可實現星地通信、飛行過程中各設備的健康監測和任務執行管理、月面再發射、樣品返回等重要功能。CPU模塊是綜合管理單元的「大腦」，是上升器、返回器的控制源頭，負責控制各相關模塊，使其正常運轉。承擔的功能有：測控應答機接收並執行地面發送的所有遙控直接指令；完成遙測數據的採集和遙控間接指令的分配，以及加熱迴路控制驅動；提供星上基準時間，採集各類遙測數據組幀下行等。

　　嫦娥五號如何實現「九天摘月」？

　　有業內專家表示，嫦娥五號月球採樣返回任務，完全可以看做無人版的「阿波羅登月」。它是我國第一個地外取樣返回的航天項目，將把月球上的土壤和巖石帶回地球，堪稱真正意義上的「九天摘月」。那麼，嫦娥五號是如何實現「九天摘月」的？

　　上升器、軌道器和著陸器 配套大小77臺發動機

　　據六院專家介紹，「嫦娥五號」主要由四個部分組成，分別是：著陸器、上升器、軌道器和返回器。為方便後續工作，這四個器又兩兩結合，形成了兩個「團隊」，一個負責「摘月」，一個負責「返地」。

　　其中，上升器、軌道器和著陸器分別配套了六院研製生產的三套推進系統，共計77臺發動機。上升器推進子系統，配套1臺3000N發動機和20臺姿控發動機；軌道器推進子系統，配套1臺3000N發動機和38臺姿控發動機；著陸器推進子系統，配套1臺7500N變推力發動機和16臺姿控發動機。這些發動機為探測器每一階段任務提供著主要動力，以及俯仰、偏航、滾動的姿態指向控制力矩和軌道調整動力。

　　進入環月軌道後 四器將分成「摘月」、「返地」兩團隊

　　嫦娥五號執行任務的整個過程簡單來說就是：進入地月軌道，軌道修正，近月制動進而被月球引力捕獲，月面軟著陸，採樣，上升，對接和樣品交接，攜樣返回地球。那麼，推進系統具體是怎麼發揮作用的？

　　專家介紹，當「嫦娥五號」進入地月軌道後，軌道器上的推進子系統開始工作，對探測器進行軌道標定和中途修正，就像在大海中航行，推進子系統始終就像船帆，讓探測器保持著正確的航向和航姿。

　　幾天後，「嫦娥五號」順利抵達月球附近，軌道器上的3000N發動機將通過兩次長時間點火，完成近月制動。並與38臺姿控發動機一起，合力確保探測器處於正確的軌道和姿態指向。當「嫦娥五號」的飛行速度降到一定程度後，會被月球引力捕獲，開始環月飛行。

　　在環月飛行中，「摘月團隊」和「返地團隊」會分離開來。分離後，推進分系統會努力保持兩個「團隊」預先設定的飛行姿態，確保後續任務正常開展。

　　這時，著陸器推進子系統的7500N變推力發動機將通過工作，降低「摘月團隊」的飛行速度，16臺姿控發動機維持其正常姿態，使其以足夠小的速度實現月面軟著陸。

　　同時，軌道器推進子系統也將時刻保持「返地團隊」在環月軌道的正確航向，讓其完成拍照和著陸點選址工作。等時機合適，「摘月團隊」再慢慢降低速度，緩緩降落在月面指定位置。

　　為什麼不採用地面指揮？因為從月球單邊返回一條信息，需要1.3秒，地面收到後再經過幾秒時間判斷思考，指令傳回地球，又是1.3秒，很浪費時間。所以，在「嫦娥三號」執行任務時，科學家就通過實踐證明，人工智慧自主決策能夠實現讓探測器的四條腿落在一個小平面上，安全著陸。即便面對「嫦娥四號」月背著陸點山多的特點，人工智慧也順利通過視頻獲得了月面數據，通過自主決策圓滿完成了落月任務。因此可以說，現在的「嫦娥五號」已經有了自己的眼睛和大腦，具有自主行動能力。

　　上升器月面起飛後 在環月軌道進行自主交會對接

　　順利落月後，「摘月團隊」開啟挖土取樣任務。這期間推進子系統將不再工作，但發動機要默默承受月表嚴苛的溫度環境。

　　當任務順利完成後，就要開始月面起飛了。這時，「摘月團隊」這對組合也不得不單飛了：上升器推進子系統開始工作，3000N發動機提供起飛的主要動力，20臺姿控發動機維持姿態指向，上升器帶著月壤，以著陸器為發射平臺直接起飛。當上升到一定高度，成功突破月球第一宇宙速度後，上升器就會離開月面，進入環月軌道。而著陸器則留在了月面，「陪伴」還在執行任務的「嫦娥四號」。

　　由於上升器從地球出發時並未攜帶返回地球所用的全部燃料，所以它在月面起飛併入軌之後，只能進行短距離飛行。在上升器進入環月軌道後，軌道器推進子系統會提供主要動力，讓「返地團隊」能主動與其交會對接，從而將月壤轉移到返回器上。

　　這可是一次絕對的自主無人對接，針尖對針尖，要求相當精準。

　　返回器通過大氣流減速 通過二次再入技術回到地球

　　當月壤成功轉移後，上升器也就完成了使命，與「返地團隊」分離，留在環月軌道上。而順利接棒的「返地團隊」抓住窗口時期，在軌道器上的3000N發動機長程點火作用下，獲得較大的速度增量，從而達到第二宇宙速度，順利脫離月球軌道，實現月地軌道轉移，開啟返回之旅。這一過程中，軌道器上的38臺姿控發動機也將一路精準護航，使「返地團隊」始終保持正確的姿態指向。

　　最終，「返地團隊」攜帶月壤以第二宇宙速度回到距離地球幾千米的高度，返回器與軌道器分離。返回器通過大氣流減速，通過二次再入技術回到地球，最後降落到我國北方的內蒙古草原上。

　　整個過程就像一場緊張的接力賽，每一棒都環環相扣，不能有絲毫缺失。

　　據悉，未來航天六院還將為嫦娥六號月球南極採樣、嫦娥七號月球南極資源調查和月球探測、嫦娥八號技術試驗等，提供更加精準強大的動力。

　　嫦娥五號「繞落回」，全程誰來護航？

　　嫦娥五號「九天摘月」全程誰來護航？據五院西安分院專家介紹，相比嫦娥三號、嫦娥四號任務，西安分院不僅對嫦娥五號這個「五妹」配備的微波測距測速敏感器、測控天線、數傳子系統進行了升級，還新研製了交會對接微波雷達，幫助「五妹」的軌道器和上升器實現交會對接。為她實現「繞、落、回」全程護航。

　　繞月階段提供 「貼身手機」：

　　測控天線助「五妹」暢連地月

　　在距離地球38萬公裡之外，如何讓嫦娥五號與地面建立順暢的聯繫？這就要依靠西安分院研製的測控天線。

　　在「五妹」的地月轉移、變軌環月的繞月階段，動力下降、上升器的月面工作階段以及交會對接階段，幾乎所有的工作模式中都需要使用測控天線與地球進行測控通信。測控天線相當於「五妹」隨身攜帶的「手機」，與月球之間的測控通信就主要依靠這部「手機」完成。

　　西安分院為「五妹」裝備的「手機」不僅要考慮聽覺的範圍，而且還要確保其不受周圍其他設備的幹擾。因此，設計人員對於測控天線在上升器上的布局做了充分的考慮，保證其有效工作的同時，要求天線在旋轉180度範圍內沒有遮擋。同時，設計人員還針對落月過程中的羽流影響等因素，進行了天線機、電、熱一體化設計，確保了測控天線能夠在落月、月塵以及月球表面極端苛刻環境下可靠地工作。

　　月面著陸提供「泊車雷達」：

　　微波測距測速敏感器助「五妹」安全著陸

　　在嫦娥五號抵達月球軌道後，著陸器將攜帶著上升器著陸於月球表面。能否安全著陸於月球表面，是任務的關鍵一步。西安分院為「五妹」研製的微波測距測速敏感器，相當於在著陸器上安裝了一部「泊車雷達」。

　　「這部雷達在著陸器距離月球表面15公裡時正式開始工作，主要任務是測量著陸器與月球表面的距離以及著陸器下降的速度，並快速向上升器的制導、導航與控制分系統（GNC分系統）提供速度和距離信息，以便於著陸器判斷降落的落點和速度。」西安分院微波測距測速敏感器主任設計師張愛軍說，微波測距測速敏感器將極大方便「五妹」控制身姿順利「泊車」。可以說，微波測。測速敏感器就是嫦娥五號探測器感知落月路的明亮雙眼。

　　拍了「靚照」幫助及時回傳：

　　傳輸一張5M照片最快僅需一秒鐘

　　探月之旅，拍照必不可少。「五妹」所攜相機拍攝的照片如何及時傳回地面，這就需要西安分院為嫦娥五號探測器研製的數傳子系統。在著陸器準備著陸月球表面的時候，數傳子系統就開始開機工作。它會將安裝在著陸器上的相機拍攝的著陸畫面以及數據信息實時傳回地面，以便地面對落月的信息進行及時判斷。在著陸器成功著陸月球表面後，安裝在著陸器上的數傳子系統會將月面工作段的採樣圖像、採樣鑽取的科學數據以及上升器起飛等過程的圖像數據傳輸到地面，為任務的順利推進提供決策參考。

　　「為了提升數據傳輸效率，西安分院設計了自適應三檔調節的方式，相當於為數據傳輸安裝了三檔『閘門』，在傳輸高峰期使用數據量較小的傳輸方式，數傳子系統從500k到5M的數據率都可以進行傳輸。按照最大傳輸速率來算，單純傳輸一張5M的照片則只需要一秒鐘。」數傳子系統設計師張競說。

　　本次為「五妹」配備的數傳子系統從功能上與嫦娥四號相當，但通過集成和小型化設計從重量和體積上對「五妹」進行了極大的「瘦身」。嫦娥四號數傳子系統的重量為8公斤，而嫦娥五號數傳子系統只有3.5公斤。

　　返回階段幫助交會對接：

　　微波雷達助力38萬公裡外「穿針引線」

　　上升器採集的月面樣本，要成功交付給返回器並順利帶回地球，就必須通過交會對接才能完成。西安分院研製的交會對接微波雷達就是為距離地球38萬公裡外的「穿針引線」式的交會對接而設計的。它的作用相當於為這場太空「穿針引線」瞄「針眼」。

　　當上升器攜帶著月壤樣品返迴環月軌道後，軌道器對上升器實施追蹤。在追蹤至100公裡範圍內時，交會對接微波雷達開始工作，由西安分院研製的交會對接微波雷達可以測量兩個飛行器之間的相對距離、方位、俯仰角度及其變化。這些數據信息會源源不斷地向軌道器的制導、導航與控制分系統（GNC分系統）這個中央處理器發送，為兩器的交會對接提供實時信息。除了通過測距、測速和測角為太空「穿針引線」瞄「針眼」之外，交會對接微波雷達還可以實現兩器之間的通信。從兩器相距100公裡之間建立通信鏈路一直到兩器相距0.2米範圍內，可以實現軌道器和上升器之間的雙向通信，包括指令等一些信息都要通過器間的雙向通信來實現。

　　2014-2020 我國探月工程一步一個腳印

　　我國從2004年正式開展月球探測，整個探月工程分為「繞」、「落」、「回」三個階段。

　　從2007年開始到2018年，我國相繼發射了四顆月球探測器：

　　2007年，「嫦娥一號」發射成功，完成了繞月飛行並對月球進行探測，拍到了我國月球探測工程第一幅月面圖像。

　　2010年，「嫦娥二號」發射成功，它是「嫦娥一號」的改進型，飛到距離地球1億公裡以外，得到了國際最高的7米解析度全月圖和月球虹灣地區1.5米高解析度局部影像圖，為「嫦娥三號」著陸找到了落腳點。

　　2013年，「嫦娥三號」發射成功，它是我國第一個在地球以外的天體軟著陸的無人探測器，拍到了人類時隔40多年後首次獲得的最清晰的月面照片。

　　2018年，「嫦娥四號」發射成功，它是「嫦娥三號」的備份型，是世界上首個成功在月背軟著陸並進行巡視探測的太空飛行器，截止目前工況正常且能量平衡，仍在繼續「月背之旅」。

　　2020年11月24日，肩負著採樣返回使命的「嫦娥五號」發射成功，中國探月工程「繞、落、回」三大任務，將由它實現最後一小步。

　　華商報記者 馬虎振

來源：華商網-華商報

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