嫦娥五號是如何完美落月的?

2020-12-03 國際在線

記者從國家航天局獲悉,12月1日23時11分,嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區,並傳回著陸影像圖。

成功著陸後,著陸器在地面控制下,進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作,將正式開始持續約2天的月面工作,預計將採集2千克左右的月球樣品。

這看似輕鬆的一幕,實際上卻歷盡艱辛,嫦娥五號探測器要像跳傘運動員一樣在深空完成一系列高難度動作:主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段……這背後離不開高科技的保駕護航。

GNC高精度關鍵技術

嫦娥五號任務的落月和近月制動一樣,都是只有一次機會,必須一次成功。

由於涉及採樣後上升器的月面起飛,所以,嫦娥五號落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程。相較於嫦娥三號、四號,嫦娥五號對於著陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的,需要一個著陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑,坡度要符合任務要求。

可以說,落月的過程就是邊飛行邊找尋落點,在15分鐘內完成,約600公裡外的全程自主跳傘。

為了實現「選址正確,落點準確」,嫦娥五號採用了已經在嫦娥三號和四號上應用的「粗精接力避障」的方式,即制導導航與控制(GNC)系統,在該系統的指揮下,著陸器和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。

著陸緩衝機構顯身手

落月的關鍵在於平穩。嫦娥五號著陸上升組合體在落月時,撞擊月面會形成較大的衝擊載荷,必須設計相應的著陸緩衝系統,吸收著陸的衝擊載荷,保證探測器不翻倒、不陷落,這是落月的技術難題之一。著陸緩衝機構,通俗地說就是嫦娥五號的「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,更來源於嫦娥三號、嫦娥四號的完美基因。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。

精妙的「外腦」「外眼」

其實在嫦娥五號的落月過程中還有兩個精妙的設計:

一是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著陸器GNC系統的工作和智能自主的指揮過程都藉助了「外腦」和「外眼」。這個「外腦」和「外眼」,分別就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。

二是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,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之上了。

定向天線「一線牽」

落月牽動人心。38萬公裡外的嫦娥五號正經歷著什麼樣的考驗?

所有的訊息,都需通過著陸上升組合體的一口小小的「鍋」來實時傳送遙測數據。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,通信的距離相比地面手機通信,遠了幾萬倍,這就需要採取特殊的對地定向天線來發送數據。

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。為了使整器減重,此款反射面天線極致輕量化設計,相比同類天線減重40%以上,既輕便又可靠。

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    中國青年報客戶端北京12月1日電(中青報·中青網記者 邱晨輝)剛剛,嫦娥五號成功落月!記者從國家航天局獲悉,12月1日晚,嫦娥五號探測器成功著陸預選著陸區。(嫦娥五號探測器著陸預選著陸區示意圖,中國航天科技集團八院供圖)至此
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