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嫦娥五號成功發射!拉開我國探月工程“第三步”序幕

?? 日期:2020-11-24???? 來源:文匯????瀏覽:89????評論:0????
核心提示:這是我國探月工程的又一里程碑。11月24日凌晨4時30分,我國在文昌發射場用長征五號運載火箭,成功將嫦娥五號探測器送入預定軌道

這是我國探月工程的又一里程碑。11月24日凌晨4時30分,我國在文昌發射場用長征五號運載火箭,成功將嫦娥五號探測器送入預定軌道,發射任務取得圓滿成功。

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個部分組成。據國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇:嫦娥五號任務有望創造的“中國首次”包括:一是地外天體的采樣與封裝,二是地外天體的起飛,三是月球軌道交會對接,四是攜帶約2公斤樣品高速地球再入,五是樣品的存儲、分析和研究。

作為中國航天事業的一支重要力量,上海航天自然不會缺席這次探月新旅程,中國航天科技集團有限公司八院承擔了長征五號助推器和嫦娥五號軌道器的研制任務。其中,4個助推器為長征五號提供90%的起飛推力。

有“太空郵差”之稱的軌道器,將把珍貴的月壤投送回地球。具體流程為,發射升空后,嫦娥五號軌道器攜帶著陸器、上升器以及返回器完成地月轉移、中途修正和近月制動。進入環月軌道后,軌道器與著陸上升組合體分離,攜帶返回器留軌。之后,軌道器將與從月面起飛的上升器進行主動交會對接,完成人類首次月球軌道自動交會對接任務,并將上升器攜帶的樣品容器轉移至返回器;與對接艙、上升器組合體分離后,軌道器將攜帶返回器進入月地轉移軌道,在距離地球5000千米處將返回器分離,并保證其再入初始條件。

“太空郵差”馳聘38萬公里

嫦娥五號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走戰略的收官之戰,將刷新世界無人月球采樣返回任務新紀錄。其中,軌道器是貫穿任務全過程的核心產品,也是目前最復雜的空間飛行器之一。

中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹,在整個任務過程中,軌道器承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務。形象地說,在相距38萬公里的地月之間,軌道器要構建一條“太空物流”的特殊通道,既承擔地月往返運輸的任務,將“乘客”安全送往目的地,又要在太空中穩妥完成“貨品接收和裝箱”,最終返回地球。

期間,軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態。在組合狀態下要連得穩固,又得在分離時可靠安全,這是研制的難點之一。軌道器創新采用多點高強度分離螺母進行連接,通過在各分離面配置不同數量的分離螺母,來滿足艙段間連接強度與剛度要求。同時雙作動分離螺母包含兩套解鎖機構,其中任意一套動作就能確保分離面每個分離點的可靠分離。這一高可靠連接分離技術,成就了嫦娥五號的從容飛天之旅。

受探測器整體重量約束的影響,軌道器在具備強大的承載能力的同時,還得做到身輕如燕。七項創新技術使之結構質量比達到9.6%,實現效能最優。46千克的承力球冠能承載3噸貯箱,具備30噸的極限承載能力,真正做到“雞蛋殼上掛秤砣”。另外,基于軌道器的分艙段設計,研制團隊提出了分區域管理的分布式綜合電子單機設計思想,借助區域劃分和整體布局,滿足各艙段的配電管理、熱控管理、信息管理等各項需求。

21秒捕獲“月宮之吻”

嫦娥五號進入環月軌道后,軌道器與“著陸上升組合體”分離,攜帶返回器留軌。之后,軌道器將與從月面起飛的上升器進行主動交會對接,完成人類首次月球軌道自動無人交會對接與樣品轉移。

捕獲、收攏、轉移,在高速運行的飛行器上實現豈是一個難字了得。況且,月球軌道相對于地球軌道有時延,時間走廊較小,必須一氣呵成完成對接與轉移任務,更是難上加難。對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲表示,對接全步驟要在21秒內完成——1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此,他和團隊對關鍵技術進行攻關,包括突破輕小型弱撞擊式對接、復雜接口自動樣品轉移等,構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統,進行上千次實驗,做好35項故障預案。從啟動開始到交會對接,全部采用自動控制。

對接機構中的運動位置精度和對中性是影響樣品容器轉移的關鍵,對接精度要求達到毫米級。為了解決這一難題,研制團隊創造性地研制出了抱爪式對接機構。中國航天科技集團有限公司八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花講解道,該結構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。“因此,我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構,通過增加連桿棘爪式轉移機構,實現了對接與自動轉移功能的一體化,這些設計理念都是世界首創。”

嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇進一步闡述,所謂抱爪,就像雙手握住棍子的動作,兩個方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。探測器采用的對接機構由3套K形抱爪構成,當上升器靠近時,只要對準連接面上的3根連桿,將抱爪收緊,兩器隨即緊密連接。

搭建地月信息的傳輸“鵲橋”

不論探測器飛到多遠,都需要深空測控通信系統作為聯絡的紐帶。中國航天科技集團八院電子所承擔了軌道器中的測控數傳(含天線)、工程圖像與測量兩個分系統,以及綜合電子分系統中兩臺單機的研制任務。

工程圖像與測量分系統肩負著探測器太陽翼天線展開、各次分離對接、月球采樣樣品容器轉移等過程的監視任務,理論上至少需要13臺攝像機才能滿足任務需求。同時,為了對抗空間艙外惡劣環境及光照環境,必須采取合理有效的防護措施,如采用大遮光罩等,按傳統的設計,鏡頭、電路板等機電熱組合而成的一臺攝像機,最輕的也要0.5千克左右。

研制團隊從空間、時間雙維度進行創新設計,最終確定了每個攝像機最小視場角和最優安裝布局,保證單個攝像機至少可兼顧兩個抱爪機構,且保證其中一個攝像機清晰監視月球樣品容器轉移全過程。最終該分系統總質量從原來的6.5千克減重到2.9千克,配套的攝像機降到4臺。

電源是航天器在廣袤太空中持續運行的重要支撐,嫦娥五號探測器所需能源超過了我國任何一項月球探測、深空探測任務。中國航天科技集團八院811所為軌道器、著陸器及上升器電源產品攻堅,讓電源系統控制器集中了功率調節模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個功能,這在探月工程中為首次應用。

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