嫦娥5號獨創技術PK美日：以前沒人這樣幹過！火星取樣或可期？

嫦娥 5 號上升器已經順利從月球表面起飛了。它要經過幾次變軌，才能逐漸和環繞器匯合。這次任務的重頭戲就是在環繞月球軌道進行無人交會對接。這是我們以前沒有做過的事情，也是一次大的突破。

最早的交會對接技術起源於美蘇兩國。雙子座飛船和聯盟號飛船都曾經實現過伴飛，也就是兩艘飛船儘量靠近，進行編隊飛行。這兩個國家當時已經掌握了太空人太空行走的技術。他們甚至想讓兩艘飛船通過太空行走來交換太空人。但是到最後，還是作罷了。

接下來就是發展交會對接技術。雙子座8號和阿金納上面級首先完成了對接。阿金納上面級是無人火箭，雙子座 8 號搭載了 2 名太空人。雖然只是把火箭和飛船做了物理鎖定。根本沒辦法讓人從對接的地方鑽過去，但總歸是一個創舉。

雙子座8號和阿金納上面級對接成功，可惜後來控制不住姿態而不斷翻滾

蘇聯人最開始實現飛船對接，接口也是死的，沒辦法走人，只是起到了物理連接的作用。即便蘇聯人設計的登月艙，中間也是不通的，需要太空人從飛船裡爬出來，進行太空行走，然後爬進登月艙。這個過程很麻煩，總設計師科羅廖夫也不願意，但是時間來不及，只能先這麼湊合著。

後來，蘇聯人為了和空間站對接，美國人為了阿波羅飛船和登月艙對接，不約而同發展出了插頭插座的對接系統。飛船頂上是一根插頭。空間站或者登月艙這邊的接口是一個圓錐形的漏鬥。只要慢慢調整飛船的姿態，把插頭捅進漏鬥裡插到底就算是萬事大吉。隨後插頭被拉緊，對接機構的圓環也就逐漸靠攏，隨後鎖定在一起，對接過程也就圓滿完成。這時候，只要拆下中間的漏鬥和插頭系統，中間就是一個通道，可以供人員往來。

美國阿波羅飛船的對接機構

蘇聯的這套對接機構也曾經出過故障，聯盟 10 號和禮炮 1 號空間站對接的時候，硬是留下一道縫子沒對齊，對接沒有到位，自然是沒辦法開門。結果 3 個太空人只能在門外睡了一宿。回家沒帶鑰匙，進不去門的糗事兒很多人都遇到過，那種感覺真的讓人抓狂，他們後來灰頭土臉的回了地球。

周邊對接機構

後來美蘇關係緩和，開始開展合作。要完成阿波羅飛船和聯盟號的對接任務。蘇聯那時候已經研發出了一套周邊對接機構，美國人也跟著做了一套。這套機構比原來的插頭插座的對接系統可好用多了。不用再分公母，任意的飛船和太空飛行器都可以對接。後來，這種周邊對接機構不斷改進，成了國際空間站的標配。大家普遍都願意遵循這個標準，我國的神舟飛船的接口也是符合這個標準的。不過國際空間站的還是保留了和聯盟號對接用的插座，可以和聯盟號的插頭相匹配。進步貨運飛船其實就是聯盟載人飛船的改進版，也是用的同樣的對接機構。

進步號貨運飛船對接國際空間站

美國人有太空梭，國際空間站全靠這個大卡車把一個個艙段運上太空。後來太空梭退役了，就只能靠聯盟號在運人，進步號來運貨，效率大不如前。美國的私營企業 spacex 研發了龍飛船，不但能運貨，還能運人。經過一個漫長的空白期，美國終於恢復了載人航天的能力。歐洲和日本沒有載人的能力，但是他們都分別研發了自己的貨運飛船 ATV 和 HTV。

「牽牛星」和「織女星」對接

日本人 1997 年就專門發射了一顆試驗衛星 ETS-7 來驗證對接技術。這顆衛星分兩部分，體積大的那個叫牽牛星，體積小的那個叫「織女星」，說到底還是「兩口子」。牽牛星安裝著一個機械臂，這也是唯一的帶有機械臂的衛星了。過去全靠飛船的精確操控，而且對接的時候要非常輕柔，振動要小。現在有了機械臂，等對接飛船靠近了，直接用機械臂抓住，慢慢靠到對接口，別提多方便了。

歐空局的ATV貨運飛船

因為國際空間站就有一根機械臂，所以日本在測試對接技術的時候，針對的就是國際空間站，歐洲人也參與了，現在大家都很喜歡用機械臂來輔助對接。過去的聯盟號是用微波來進行通訊和對接校準，雷射的精確度比微波更高一些。不過有了機械臂，事情就簡化了不少，而且衝擊力也很小。不僅如此，有時候為了讓出中間的對接口，需要把飛船或者是某個艙段移到側面去，這就是機械臂大顯身手的好機會了。傳統的對接裝置是沒這個本事的。所以，機械手幾乎成了大型多艙段空間站必備的裝置。

國際空間站的機械臂抓住了日本的HTV貨運飛船

不過，以上的一切對接裝置都不適用於嫦娥 5 號。為啥呢？因為太過複雜，重量太大了。為了保證氣密性和電路管路暢通，對接環的結構很複雜。對於嫦娥 5 號的上升器和環繞器，完全犯不上。畢竟太空飛行器能輕一點是一點，都是要一克一克的計較的。這東西是無人的，傳遞的只是土壤和巖石樣本，不需要考慮這麼多亂七八糟的事兒。為此，航天 8 院的工程師們專門設計了一個用於小型無人太空飛行器的對接機構，整個重量只有傳統周邊對接機構的 1/15，這可是獨創的技術。因為其他國家還沒有類似的需求，他們沒有考慮到小型的無人太空飛行器居然也要玩兒交匯對接。

嫦娥5號的抱抓對接機構

大家從畫面上可以看得出，上升器上有 3 根金屬杆，重量很輕。環繞器上的 3 個抱抓也很輕，但是這已經足夠拉緊兩個太空飛行器了，結構就這麼簡單。對接的全部動作要在 21 秒內完成，1 秒捕獲、10 秒校正、10 秒鎖緊。為此工程師們做了 35 項故障預案，全部採用自動控制，地球和月亮之間的無線電通信有 1 秒多的延遲，全靠地面操作根本來不及，只能靠太空飛行器的全自動交會對接。

過去，探測器降落在火星，或者是歐羅巴這種大衛星上是根本不可能取樣返回的，只能就地檢測，局限性很大。俄羅斯的福布斯-土壤探測器設定的目標是登陸火星的兩顆衛星之一的福布斯，這個衛星長得就像是個歪瓜裂棗，肯定是「後娘養的」。

火星和衛星福布斯

我們大致可以判斷，這兩個小的不值一提的衛星肯定是火星沒事兒撿了個漏。但是小有小的好處，從福布斯上取樣，然後起飛返回相對比較容易，不是一件做不到的事情。畢竟福布斯的引力非常的小，很容易脫離。

但是，即便是崇尚暴力美學的俄國人，也只敢在火星的衛星上打主意，從不敢想從火星上取樣返回，因為代價太大了。現在，有了在外星軌道的自動對接技術，運載能力大大提高。從火星取樣返回再也不是遙不可及的事情了。有了這套對接技術，我們能玩兒出來的花樣就非常多，可以說是打開了一扇嶄新的大門。

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