完成月球「挖土」 嫦娥五號將跳躍式返回

嫦娥五號在月球表面鑽取採樣。

北京飛控中心，科技人員為月表採樣提供信息支持。

12月2日22時，經過約19小時的月面工作，嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動採樣，並已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。我國首次月面自動採樣工作圓滿完成。而嫦娥五號也即將進入最後一個任務階段——帶著月壤返回地球。這也是此次任務的「終極挑戰」。昨日，嫦娥五號探測器主任設計師姜水清、嫦娥五號探測器鑽取子系統負責人王國欣、嫦娥五號對接與樣品轉移機構團隊技術負責人王曙群等人對此次「挖土」任務進行了介紹。

文、圖/廣州日報全媒體記者 肖歡歡

通訊員 段遜 王玓瑭

三種模式力保順利採樣

在看了嫦娥五號落月、「挖土」的全過程後，中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器主任設計師姜水清給出了「完美」的評價。姜水清介紹， 為確保首次月面採樣任務順利完成，嫦娥五號探測器研製團隊多措並舉，不僅對月面採樣過程進行了聯合設計分析，確定了「先鑽後表、器地協同」的工作程序，以及「器上操作、地面測控和地面物理驗證」三位一體的飛控模式；而且還設計了遙控工作、預編程工作和半自主工作三種工作模式，確保採樣過程的可靠性；此外，各單機還開展了相應的環境試驗和專項試驗，子系統開展了鑽取、表取和密封封裝專項試驗，驗證了單機及子系統的功能和性能。

姜水清表示，嫦娥五號所採用的表取、鑽取兩種方式互為備份，可以提高採樣的成功率和可靠性，同時也能夠獲得更為豐富的樣品種類，為後續科學家研究提供更多可靠的原始資料。此前，研製團隊想方設法做了幾百次試驗，數十種工況模擬和多次三位一體模式的採樣封裝演練，才得以全力以赴確保了我國首次月面自動採樣任務順利完成。

「最強挖掘機」鑽頭百裡挑一

中國航天科技集團有限公司五院529廠承擔的鑽取子系統承擔了此次月球次表層自主鑽取採樣任務。嫦娥五號探測器主任設計師、鑽取子系統技術負責人王國欣介紹，這次嫦娥五號的鑽取系統具有鑽進能力強、排粉能力強、月壤適應性強的特點，堪稱「最強挖掘機」。

首先是百裡挑一的獨創鑽頭，通過建立鑽進與取芯能力評價體系，對比16種設計方案，最終確定雙排鑽牙階梯構型，經過「千錘百鍊」，保證鑽進過程順暢可控，具備對8級硬度巖石的鑽進能力，同時具有較好的解決危險工況和大顆粒的能力。

其次，通過鑽杆模型的匹配和參數優化，最終確定外螺旋翼設計結構，採用雙頭、小螺旋升角的設計參數，使其排粉能力裕度大大提高，大大提高了取芯率及鑽進策略的可調整性。

此外，鑽取子系統經歷了上千次地面鑽取試驗，積累試驗過程數據，形成了不同工況的鑽取參數資料庫，通過在軌預編程自主控制，實現鑽取子系統「迴轉」「衝擊」和「迴轉+衝擊」三種模式的自由切換。可根據採集到的鑽進參數自主切換策略，適應多種月壤工況，具有很強的鑽取適應性。

王國欣介紹，相比表取，鑽取的難度要大一些，這次的鑽取系統具備鑽取月表以下2米深度月壤的水平，並且不會破壞該區域月壤的結構。此外，為將月壤封裝容器與整形機構分離並傳送至上升器內，這一次在月壤傳送分離方案上獨創設計了「剪切銷」式低衝擊剪切分離的方式。在整形電機的驅動下，剪切機構在月壤封裝容器的上端面施加軸向壓力，通過軸向壓力剪斷均布的3個剪切銷，實現月壤封裝容器與機構部分的分離。

月壤轉移誤差不大於5微米

月壤採集好之後，就要進行月壤轉移。對接機構中對接環的運動位置精度和對中性是影響月球土壤封裝成敗的一個關鍵因素。中國航天科技集團有限公司八院149廠是參與研製生產嫦娥五號對接與樣品轉移機構的團隊。該廠首席技師、對接機構總裝組組長王曙群介紹，這次對接樣品轉移機構是一種弱剛性結構，體積小、結構複雜，但功能一樣沒有減少，所以對於裝配中的測量數量、精度等要求更高。在轉移過程中，系統形成了一個封閉式的微型「隧道」，受到了產品特性的六個自由度的限位限制。

在研製過程中，團隊的兩位技師吳駿和顧京海發現在理論和實際運用中系統的運作出現了偏差，由於六個自由度的限制，讓本來就屬於弱剛性的結構很容易受到外界壓力後產生細微的形變；在消除「卡殼」現象的過程中，他們通過對整個系統的傳送的運動軌跡和路徑進行仔細分析，提出了將限位減少到兩個自由度，即左右和旋轉的自由度。為此，他們將原本圓孔的限位裝置改為「方孔+扁平軸」的限位裝置，從而在確保產品裝配精度要求的情況下，使得轉移機構在運作的過程中能夠不走偏並流暢地完成每一個指令和動作。

最終，研製團隊驗證了該方法的可行性和可靠性，大大提高了轉移機構的運動位置精度，使各個位置的精度誤差均不大於5微米，成功實現月壤從上升器向軌道器的轉移，一舉解決了產品「卡殼」現象的問題。

回程將採取「打水漂」

嫦娥五號完成月球採樣後，即將帶著月壤高速再入返回地球。嫦娥五號探測器副總設計師查學雷早前在接受記者採訪時表示，任務的再入航程與飛行試驗器基本一致。在環月等待階段，嫦娥五號軌道返回組合體將從對接艙分離並進入月地入射點，等待月地入射窗口的到來；在月地轉移階段，軌道返回組合體在經歷多次中途修正之後，在距離地球5000公裡高度處將實現軌道器和返回器的分離；到了再入返回階段，嫦娥五號返回器與軌道器分離後，返回器首先以第二宇宙速度衝向地球，在進入地球大氣層後，通過半彈道跳躍式再入返回技術重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進行降落，最終返回器打開降落傘，平穩地降落在預定地點。

而當返回器帶著月壤向地球飛來，其飛行速度是接近每秒11公裡的第二宇宙速度，一旦速度過猛，後果不堪設想，為此，航天科技集團五院的設計師們創新提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案，就像在太空「打水漂」一樣，讓返回器先是高速進入大氣層，再藉助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後以第一宇宙速度重新紮入大氣層，返回地面。

為確保嫦娥五號能平穩返回，中國航天科技集團六院為探測器量身定做了3臺新型發動機，其中兩臺3000N發動機將分別為嫦娥五號探測器的軌道器、上升器提供動力，而1臺7500N變推力發動機則將完成探測器著陸組合體月面軟著陸任務。

此外，返回器S頻段應答機作為返迴路上的唯一測控通信工具，將為嫦娥五號返回地球保駕護航。

來源：廣州日報