「蘭州製造」護航 助推探月新徵程
月塵帶電測量儀研製現場
國際救援示位標
水升華器貯箱
月球樣品密封封裝子系統
著陸器無損探傷測量儀
月塵帶電測量儀
「11月24日，嫦娥五號登月探測器發射升空，這是中國探月工程第三階段最為重要的一步，它將在探月工程第一、第二階段基礎上，即嫦娥一號、二號、三號、四號探測工程基礎上，繼續在月球表面開展更深層次、更加全面的科學探測，重點關注月球地質、資源等方面的信息，核心任務是落月之後的採樣封裝並在採樣封裝之後成功返回地球。
值得一提的是在嫦娥五號上，搭載了中國航天科技集團有限公司第五研究院第510研究所(以下簡稱510所)的「產品大家族」，共有產品27臺/套，活動件潤滑機構1920件，高透明導電聚醯亞胺鍍鋁二次表面鏡60平方米。其中以510所獨立設計研製的嫦娥五號核心裝置——月球樣品密封封裝子系統以及返回地球之後的月球樣品解封分裝操作臺為代表，同時還有月塵帶電及著陸器無損探傷測量儀，以及曾在其他型號任務中使用且進行了優化提升的國際救援示位標、貯箱、電源等產品。這些「家族成員」將在嫦娥五號任務中各司其職，為探月新徵程保駕護航。尤其是月球樣品密封封裝子系統直接決定著本次探測任務的成敗。」
44年後人類將重新帶回月球樣本
中國探月工程正式始於2004年，目前已經取得了數次任務的巨大成功。
2007年10月24日，嫦娥一號升空前往月球，全方位研究了月球總體情況。2010年10月1日，嫦娥二號發射，它在探索月球結束後飛過距離地球150萬千米的日地拉格朗日二點，是人類歷史上唯一一次從月球前往此點，後又飛掠圖塔蒂斯小行星並滑向深空。2013年12月14日，嫦娥三號和玉兔一號成功軟著陸月球，成為37年內再次訪問月球的人類使者，嫦娥三號至今仍保有一定工作能力，創造了人類月球探測新紀錄。2018年5月21日，鵲橋號出發，成為人類唯一地球/月球背後通信中繼衛星。2019年1月3日，嫦娥四號和玉兔二號成功著陸月球背面南極-艾特肯盆地，實現人類探測器首次在月球背面軟著陸，至今仍在工作。
國家探月工程中心專家、嫦娥五號飛控專家組專家、510所探月工程技術總負責人王先榮研究員告訴記者，嫦娥五號計劃將在探月工程三期中完成月面取樣返回任務，是探月工程中最關鍵的探測器，踏出中國探月工程的「繞、落、回」的最後一小步「回」，也是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一。
王先榮透露，嫦娥五號由軌道器、返回器、上升器和著陸器組成，其中著陸器將進行月面軟著陸，並自動進行月面採樣、樣品封裝等操作，之後將樣品由上升器升空進入月球軌道，與環月軌道上的軌道器對接。隨後將樣品轉移到返回器內部，最後由返回器攜帶樣品返回地球，降落在我國北方的內蒙古草原上。
整個任務預計持續23天左右，實現四個「首次」。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，首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。「嫦娥五號到達月球軌道之後，著陸器和上升器會在月面降落，鑽取約2米深的月壤巖芯柱，採集2公斤重月球樣品，採集的過程由探測器自主完成。完成採樣後，上升器將帶著樣品從月面起飛。在地球發射火箭，有完善的系統保障。在月球實現發射，難度可想而知。上升器回到月球軌道後，將與等候在那裡的軌道器、返回器組合體交會對接。與距離地球表面300公裡的載人航天交會對接相比較，距離地球38萬公裡的月球軌道交會對接，測控精度要求更高。最後，返回器將帶著月球樣品以接近每秒11.2公裡的第二宇宙速度返回地球，對返回器安全減速，降落提出了很高的要求。」王先榮說，本次任務成功後中國將成為繼美國和前蘇聯之後人類第三個獲取月球樣本的國家。
嫦娥五號核心裝置510所研製
既然此次嫦娥五號的主要任務就是在月球表面「挖土」返回，那麼510所設計的月球樣品密封封裝子系統自然成為了最重要的核心裝置之一。作為嫦娥五號探測器的核心裝置之一，其功能是承接採集到的月壤和月巖並對樣品進行自動封裝，保證月球樣品在返回地面的過程中不受汙染，維持樣品的原始狀態，充分保留其科學研究和探索價值。
王先榮告訴記者，目前，國外只有美國和前蘇聯實現了月球樣品的採樣返回，而且值得一提的是，美國是在月球上人工進行採樣，前蘇聯則是把月壤的封裝步驟放到了返回艙中。而我國的月球樣品採集和封裝完全是在無人條件下通過設備自主完成的，難度更大，需要攻克的關鍵技術更多。他表示，首先要實現月表環境下的月球樣品密封封裝子系統蓋體自動開合，由於對裝置重量和尺寸的嚴格限制，蓋體的上升、旋轉和下降等開關蓋動作只能使用一套電機組件驅動，運動機構複雜。為保證機構的可靠性，研製團隊在多年的研製過程中反覆進行各種工況下的開合試驗，模擬裝置傾斜狀態下的極限拉偏試驗，將裝置在月面可能出現的所有工況都進行了試驗。在能夠保證正常開關蓋的同時，要實現月面極高、低溫和月塵環境幹擾下的高真空密封，研製團隊通過不斷的摸索，最終確定了橡膠圈密封和金屬擠壓密封相結合的冗餘密封技術，在反覆試驗、設計更改、再試驗的過程中確立了最優的密封結構，結合火工鎖緊機構實現了蓋體密封和鎖定。保證裝置在發射上升入軌後隨返回器重返地球的過程中經歷嚴苛的振動和衝擊等力學環境後仍能實現有效密封，保證月球樣品的成分不發生物理與化學變化並維持月表原態。
510所依託深厚的科學研究與工程研製基礎，在國內首次研製了基於金屬擠壓密封原理的月球樣品密封裝置。產品突破了「極高真空樣品密封技術」、「月表真空、帶電月塵、高低溫綜合環境地面驗證」等關鍵核心技術，使得裝置性能指標達到國際先進水平。在未來我國深空探測工程中，此次設計的月球樣品密封裝置還可用於後續探測工程樣品採集返回，如月球極區水冰採樣返回任務、小行星採樣返回任務、火星採樣返回任務等。
返回地面的月球樣品有兩種，一種為表取月球樣品，另一種為鑽取月球樣品。510所還設計研製了鑽取樣品截取和剪切裝置。該裝置的主要功能是在不破壞鑽取月球樣品層理狀態的條件下對鑽取月球樣品進行截斷，並對截斷面進行密封，便於鑽取月球樣品的描述、處理、分析和分發等。
既然在月球表面對月壤樣品進行了密封封裝，那麼回到地球之後就要對這些樣品進行解封。因此510所又承擔了月球樣品解封分裝操作臺的研發設計和製造工作。嫦娥五號月球樣品解封分裝操作臺是探月工程三期月球樣品地面應用系統的核心裝置，能夠在真空環境下對返回地面後的月球採樣封裝裝置進行解封及收集月球樣品釋放的稀有氣體，並在高純惰性氣體環境下對月球樣品進行收集、登記、描述等處理，最大限度保證月球樣品儘可能少受地球外部環境的影響，避免月球樣品氧化和汙染，滿足深空探測任務中地外天體樣品密封容器解封、處理和保存等需求。
王先榮表示，該產品創新性地提出了分艙段進行月球樣品解封及處理的方案，解決了樣品密封裝置解封時內外壓差過大及真空環境下無法操作處理樣品的難題，實現了真空環境下月球樣品密封封裝裝置的解封及高純氮氣環境下月球樣品的操作和處理。針對微量月球樣品釋放稀有氣體難以採集的技術難點，設計了氣體採集裝置，實現了月球樣品釋放稀有氣體採集及成分分析，解決了月球樣品釋放氣體採集的難題。設計了自動解封機構，通過一套機構實現旋轉解除樣品密封、直線提升打通月球樣品初級封裝容器等多個動作，具有自動定位、自動解封的創新功能。
繼美國之後重新直接測量月塵帶電
除了在月球表面提取月壤樣本之外，嫦娥五號著陸器的頂部還攜帶了一部月塵帶電測量儀，這將是自美國阿波羅計劃以來，人類第一次對月球表面的帶電塵埃進行直接測量。而這部儀器也是510所研發設計的。
距離地球38萬公裡的月球上存在著塵土，叫做月塵，這些塵土可能在微流星和人類活動的情況下被激起而四散飛揚。510所為嫦娥三號研製的月塵測量儀採用了高靈敏和大量程傳感器組合式的探測方法，可以測量著陸過程和自然狀態下月塵累積質量。而在嫦娥五號項目中，為了進一步了解月塵的特性，設計研製了測量懸浮月塵帶電的科學載荷裝置。
月塵是月面環境中最重要的空間存在與環境因素，它的懸浮和輸運會對太空飛行器探測載荷以及太空人健康造成直接影響與危害，密切關係著航天探測科學目標的實現乃至整個探測任務的成敗，而月塵帶電被認為是使其懸浮和輸運的重要因素。
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和一臺微質量天平組成。阻滯柵網像扇門，在一定時候，只有滿足一定條件的「月塵」才可以通過，這個條件就和月塵的帶電量有關。柵網下方是一個由粘性薄膜和石英晶片組成的微質量天平，它相當於月塵顆粒的「體重秤」，這是目前最靈敏的「秤」，甚至可以測到納克級的質量。當通過柵網的月塵顆粒被粘性膜「粘住」後，這些顆粒的質量就被稱量出來了。於是，通過設置不同的「門檻」，不同帶電量的月塵就被測量出來了。月塵帶電測量探頭獲取的月塵相關特性數據可為後續載人登月的月塵防護和清除提供設計依據，具有重要的工程應用價值。
讓嫦娥五號著陸更加安全平穩
510所機電產品事業部副總經理李昊璘告訴記者，嫦娥五號著陸探測器的飛行過程分為發射階段、地月轉移階段、環月階段和動力下降階段。該所研製的著陸緩衝機構信號裝置工作於著陸探測器的動力下降階段。該設備個頭不大，但作用非常重要，控制著探測器的著陸。這套信號裝置由展開到位開關組件和落月信號裝置組成，分別位於著陸緩衝機構的多功能支柱腿和足墊內。
李昊璘說，當著陸探測器接近月球，到達月球表面預定高度時，展開到位開關組件先開始工作。著陸緩衝機構按照指令點火起爆，展開到位後進行鎖定。此時，展開到位開關組件被觸發，產生了展開到位信號，相關系統得到信號後，探測器才能明確自身的展開狀態，開始準備在月面著陸。但觸月之前必須及時關閉反推發動機，如果反推發動機不能及時關閉，不僅影響著陸探測器的著陸穩定性和熱特性，而且發動機連續工作吹起的月塵對機構及某些有效載荷也有明顯的負面影響。這時落月信號裝置就要發揮作用了，它在著陸器的著陸足墊接觸月面時，受月面反作用力觸發開關，把這個信號傳給控制系統，關閉反推發動機，就好像馬車夫勒緊了韁繩，從而保證馬車能夠安全平穩地停下。著陸緩衝機構信號裝置在嫦娥系列上的成功應用，為將來我國研製更先進的月球著陸器積累了重要經驗，奠定了堅實基礎。
此外，510所還研製了嫦娥五號著陸器無損探傷測量儀。該儀器是在著陸器著陸時，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。該設備可以為地面環境試驗提供在軌數據，並為後續月球登陸提供設計優化支持。
510所空間探測載荷工程中心主任王鷁表示，在航天這種對產品可靠性要求極高的特殊領域，無損檢測與評價技術水平在一定程度上反映了國家太空飛行器的技術發展水平。目前國際上公認的適合空間應用的無損檢測方法主要包括電渦流無損檢測方法、電磁超聲無損檢測方法和目視法三種方法，其中電渦流無損檢測技術發展最為成熟。510所嫦娥五號著陸器無損探傷測量儀採用的是脈衝電渦流無損檢測技術，根據任務目標，探頭的工作實際上分為在軌測量和地面數據處理應用兩個階段。在軌測量主要是著陸過程中著陸器受著陸衝擊損傷狀況的測量。地面數據處理主要是對在軌測量數據進行反演，利用地面標定實驗結果對測量數據進行定量或定性分析，獲得著陸器支撐結構連接部位受衝擊損傷狀況，為地面環模試驗提供驗證，並為後續深空探測著陸設計改進提供技術支持。510所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。由於我國對高性能TMR傳感器的研究起步晚，尤其是空間應用尚未開展，為此，510所研製了基於TMR的弱磁場傳感器，滿足無損檢測之用。其中，採用TMR進行無損檢測中線圈與TMR的集成技術、TMR無損檢測儀的標定技術等在國內均屬首次，因此，研製具有空間環境適應能力的高性能TMR傳感器技術是無損檢測技術中的關鍵技術之一，也是本項目的創新點。
「產品大家族」助嫦娥五號順利完成任務
除了以上幾款重要產品之外。在嫦娥五號研製任務中，510所還承擔了不少產品的研製與開發工作。該所表面工程事業部承擔了鑽取採樣裝置、表取採樣機械臂，艙蓋機構驅動組件、樣品艙艙蓋機構和太陽翼驅動組件等配套活動件研製及試驗任務。
活動零部件是驅動機構的關鍵部件，在驅動機構順利運轉和完成指定任務過程中將起到至關重要的作用。嫦娥五號任務量大，時間緊，難度大，需使用的活動零部件種類較多，工況複雜。其中，鑽取採樣和表取採樣裝置是嫦娥五號項目中最重要的兩個子系統，承擔著充月球表層及一定深度採樣並封裝返回的重要使命。兩種裝置潤滑件中包含了軸承、齒輪、絲槓等典型活動零部件及多種滑動潤滑副，其主要特點是使用壽命長，潤滑副間應力大，使用溫度範圍寬。
水升華器系統是探月三期熱控分系統採用的全新技術，其中該所壓力容器事業部設計研製的水升華器貯箱是水升華器系統的重要部件之一，主要用來存儲和為水升華器系統提供脫氣去離子水，是國內首次研發成功並應用於深空探測的氣液一體落壓式排放隔膜貯箱。本次嫦娥五號需經歷地面存儲、發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降及月面工作等全程階段，因此，對貯箱經受來自各階段的不同惡劣環境考核能力提出了更高的要求。為此，項目人員經過多次設計優化、試驗驗證，通過科技攻關設計出了水升華器貯箱。
該所機電產品事業部研製的國際救援示位標負責在返回器落地後會發射無線電信標信號，猶如海洋中的燈塔引導方向。這種信標符合國際通用標準，能夠被岸站遍布世界各地的全球海事衛星搜救系統所識別，從而確保搜救人員能夠快速找到返回器。應用於嫦娥五號的新型國際救援示位標從產品設計到功能性能指標，都實現了重大進步。在產品重量和體積減小約30%的情況下，產品的抗力學衝擊能力大幅提升至以前的3倍。在降低重量的同時，該產品還通過減小晶體振蕩器的相位噪聲，使射頻輸出信號的頻率穩定度大大提高,進而使目標的都卜勒頻移定位精度大幅提高;在射頻輸出端，設置內匹配電路，在短路和開路情況下，設備均不會損壞，當電路恢復正常後，仍能正常工作。對部分單元電路採用脈衝饋電技術，降低整機的功耗，進而減少了星上能源的消耗。作為救援設備，國際救援示位標從定位信息的獲取、數據處理、編碼調製發射到電源供自成一個獨立系統的同時具有高定位準確性，大大提高了緊急狀態下救援的可靠性和時效性。
在項目研製中，新工況、新要求層出不窮，但是終被攻克。510所科研人員繼續發揮自身技術優勢，通過多年創新攻關，以多樣產品組成「探月家族」向月球和深空進發，用拼搏進取的創新精神助力中國航天新發展。
蘭州日報社全媒體記者 孫理/文
圖片由510所提供