來源:萬維網(wǎng)

記者從國家航天局獲悉，北京時間12月6日5時42分，嫦娥五號上升管與軌道器和返回器組合成功交會對接，樣品容器于6時12分安全轉(zhuǎn)移至返回器。

這是中國首次實現(xiàn)月球軌道交會對接。

軌道飛行器逐漸接近上升管。

從開始上升到繞月軌道，軌道器和返回器的組合通過遠程制導和近程自主控制逐步逼近上升，上升由抓爪捕獲，從而完成交會對接。

隨后，嫦娥五號軌道器和返回器的組合將與上升管分離，并在一個機會返回地球。

軌道飛行器和升降舵完成會合和對接。

那么，這38萬公里外的深情擁抱是如何完成的呢？

對接機構(gòu)的設計理念是世界首創(chuàng)

嫦娥五號采用的對接方式與中國載人航天任務的交會對接方式有很大不同。

載人航天中使用的對接機構(gòu)稱為異源同構(gòu)外圍對接機構(gòu)，對接后可形成約80 cm的通道，方便航天員穿行。然而，月球探測對質(zhì)量和空有嚴格的限制。嫦娥五號的對接機構(gòu)一定要小而精，重量要減到周邊對接機構(gòu)的五分之一。同時應具備樣品容器采集和自動轉(zhuǎn)移功能。

據(jù)中國航天科工集團第八研究院嫦娥五號探測器副司令張玉華介紹，研究組在嫦娥五號上采用了爪形對接機構(gòu)，通過增加連桿棘爪傳遞機構(gòu)，實現(xiàn)了對接和自動傳遞功能的一體化。這些設計理念世界第一。

嫦娥五號衛(wèi)星副首席技術(shù)官胡振宇介紹說，對接機構(gòu)由三套“K”形卡爪組成?！八^爪，就像是我們手中拿著棍子的動作。當我們向兩個方向用力時，我們可以把棍子牢牢地握在手中。”他說，立管靠近時，對準連接面上的三根連桿，擰緊卡爪，就可以連接緊密。

捕捉、折疊、轉(zhuǎn)移的過程看似簡單，但在38萬公里外高速運行的飛機上實現(xiàn)卻不那么容易。

“月球軌道相對于地球軌道有延遲，時間走廊小。這就要求非常高的時效性，必須一次完成對接和轉(zhuǎn)接任務?！睂訖C構(gòu)和樣品轉(zhuǎn)移子系統(tǒng)技術(shù)負責人劉忠表示，整個對接過程應該在21秒內(nèi)完成，包括1秒捕捉、10秒校正和10秒鎖定。為此，研究小組制定了35個故障計劃，從啟動到交會對接都采用自動控制。

他們還搭建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱模擬空測試臺四個測試系統(tǒng)，先后進行了661次對接測試和518次樣品轉(zhuǎn)移測試。劉忠說，研究人員甚至在實驗中故意添加小故障，使對接機構(gòu)能夠自動識別和排除故障，從而確保自動對接和樣品轉(zhuǎn)移過程萬無一失。

百公里之外做媒

在實現(xiàn)完美對接之前，軌道飛行器和升降舵應該相互靠近。中國航天科工二院25所研制的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為此次交會對接唯一的中遠程測量手段，“配橋”。

記者從25個臺站了解到，該雷達是一對產(chǎn)品，由雷達主機和應答機組成，分別安裝在嫦娥五號軌道飛行器和升降舵上。當兩個設備之間的距離約為100公里時，雷達開始工作，不斷為導航控制子系統(tǒng)提供兩個設備之間的相對運動參數(shù)，并進行雙向通信。兩個裝置根據(jù)雷達提供的信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直到對接機構(gòu)捕獲并鎖定。

據(jù)交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，在我國載人航天工程中，航天器在近地軌道多次交會對接，應用了25部微波雷達。不同的是這次交會對接是在38萬公里外的月球軌道上，難度更大。與近地軌道相比，月球軌道沒有衛(wèi)星導航等服務資源，微波通信是唯一的中長距離測量手段。同時，月球軌道環(huán)境更加復雜，需要克服月球引力的影響。因此，微波雷達對自動交會對接的要求極其苛刻。

為此，25家研究所攻克了廣角測量等關(guān)鍵技術(shù)。

交會對接是一個體積相差巨大的“大追小”的復雜受力過程，采用爪形弱沖擊對接機構(gòu)，對微波雷達測角精度要求較高?！拔覀儾捎昧藙?chuàng)新的誤差補償算法，將微波雷達的角度測量精度從0.15°提高到0.1°。”微波雷達項目總設計師何表示，隨著精度的提高，當對接雙方距離為20米時，立管對接機構(gòu)抓手的鎖定圓面從之前的5厘米半徑減小到3厘米。這2 cm的差距大大提高了準確對接的幾率。

另外，立管落月時不可避免會形成灰塵，可能會干擾對接轉(zhuǎn)發(fā)器，降低測角精度。所以設計師在應答機上安裝了一個特殊材料的防塵罩，就像戴上了透視用的護目鏡一樣，避免了這個隱患。

樣品轉(zhuǎn)移拒絕“堵塞”

在軌道器和上升管對接后，上升管上裝滿月球土壤的樣品容器應該轉(zhuǎn)移到返回器上。

胡振宇介紹說，這一步使用的連桿棘爪式傳遞機構(gòu)采用了非常巧妙的設計。它采用兩套倒三角形棘爪，通過四次伸縮，使容器逐漸向回位者移動。

為了實現(xiàn)樣品的順利交接，航天科工集團八院149廠對接轉(zhuǎn)樣機構(gòu)的組裝團隊付出了艱辛的努力。

149廠副總經(jīng)理盧海濱表示，對接機構(gòu)中對接環(huán)的運動位置精度和對準是影響月球樣品轉(zhuǎn)移成敗的關(guān)鍵因素之一。對接傳樣機構(gòu)是一種弱剛性結(jié)構(gòu)，體積小，結(jié)構(gòu)復雜，但功能多，組裝時對測量量和精度要求較高。

在轉(zhuǎn)移過程中，對接機構(gòu)和樣品轉(zhuǎn)移子系統(tǒng)形成一個封閉的微型隧道，受限于產(chǎn)品特性的六個自由度。在開發(fā)過程中，團隊主要運營人吳軍、顧景海發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的運行在理論和實踐上都存在偏差。由于六個自由度的限制，原本剛度較弱的結(jié)構(gòu)很容易受到外界壓力變形，無法滿足5微米的側(cè)向精度要求。

“限制產(chǎn)品的六個自由度是為了保證樣品在轉(zhuǎn)移過程中的結(jié)構(gòu)約束。但是，在實驗中，出現(xiàn)了‘卡死’的現(xiàn)象?！眳擒娬f。

他們仔細分析了運動軌跡和傳遞路徑，并提出了一個方案，將限制降低到兩個自由度，左、右和旋轉(zhuǎn)。所以他們把原本是圓孔的限位裝置改成了“方孔+平軸”。經(jīng)過不斷的修改和改進，傳送機構(gòu)可以順利完成每一個指令和動作，沒有偏差，每個位置的精度誤差不超過5微米。

完美記錄“擁抱”的全過程

發(fā)生在38萬公里外的交會對接過程，由航天科工集團第八研究所研制的紅外和可見光雙光譜監(jiān)視攝像機記錄，完美呈現(xiàn)給關(guān)注嫦娥的千千數(shù)千人

嫦娥五號搭載的雙光譜監(jiān)視攝像機不同于以往任務中使用的監(jiān)視攝像機，它集紅外和可見光成像于一體。紅外和可見光傳感器通過各自的光學鏡頭采集圖像數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)遙控指令在六種拍攝模式之間自由切換，從而分別或同時實現(xiàn)紅外和可見光成像。

根據(jù)控制研究所光學導航專家鄭的說法，這種相機相當于在普通相機上增加了夜視設備。即使交會對接過程發(fā)生在月球背面，無法被太陽照亮，也可以用紅外相機記錄下來。在光照的情況下，如果光照太強，可見光相機拍攝的照片可能會曝光過度。這種雙光譜相機可以記錄全天和全光條件下的交會對接過程。

為了向觀眾呈現(xiàn)高清畫質(zhì)，相機可見光譜分辨率達到2048×2048；紅外光譜選擇非制冷長紅外波段，分辨率為640×480。但是為了同時實現(xiàn)紅外和可見光成像，數(shù)據(jù)量巨大，產(chǎn)品無法達到開發(fā)初期任務要求的幀率。項目組通過優(yōu)化DSP軟件架構(gòu)和算法，提高了軟件運行效率。

在滿足清晰度和幀率要求后，數(shù)據(jù)傳輸就成了一個大問題。如果同一條單行道承載雙重交通流量，擁堵是不可避免的。負責該產(chǎn)品的設計師汪峰表示，要避免這種情況，應該在圖像和視頻壓縮技術(shù)上做出努力。

經(jīng)過多種嘗試，項目組最終選擇先插值后壓縮，針對不同的工作模式采用不同的壓縮算法，利用幀間相關(guān)性提高圖像質(zhì)量，最后將壓縮后的數(shù)據(jù)下載到地面進行解壓恢復。

海量數(shù)據(jù)的處理使得組件的選擇變得困難。航天級設備可靠性高，但運行速度相對較低，不能滿足任務要求。經(jīng)過綜合考慮，項目組選擇了工業(yè)級高性能8核處理器來提高數(shù)據(jù)處理速度，并制定了《低等級元器件質(zhì)量保證方案》，進行了總劑量抗輻照、熱環(huán)境、機械環(huán)境、靜電放電等專項測試，以保證產(chǎn)品的可靠性。