舉世關(guān)注的“月軌相擁”成功上演。

12月6日5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對接，并于6時(shí)12分將月球土壤樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中，完成了“回家”前的“月球土特產(chǎn)快遞攬件”任務(wù)。

這是我國首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對接。

嫦娥五號(hào)探測器 本文圖片均由中國航天科技集團(tuán)提供

作為探月三期的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號(hào)將刷新人類無人月球采樣返回任務(wù)新紀(jì)錄。而軌道器作為貫穿任務(wù)全過程的核心產(chǎn)品，是名副其實(shí)的“太空郵差”——它在相距38萬公里的地球和月球之間，構(gòu)建起一條太空“物流”的特殊通道，既承擔(dān)地月往返運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，將乘客安全地送往目的地，同時(shí)又在太空中穩(wěn)妥地完成貨品的“接收”“裝箱”，將珍貴的月壤樣品投送回藍(lán)色地球。

突破了多項(xiàng)連接分離關(guān)鍵技術(shù)

“在整個(gè)任務(wù)過程中，軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態(tài)，承擔(dān)地月往返運(yùn)輸、器間分離、交會(huì)對接與樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵任務(wù)，是目前最復(fù)雜的空間飛行器之一?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹，針對整個(gè)任務(wù)飛行狀態(tài)多、器間接口多、工作模式多、技術(shù)攻關(guān)難、地面驗(yàn)證難以及運(yùn)載與發(fā)射場新的“三多、兩難、一新”特點(diǎn)，上海研制團(tuán)隊(duì)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥五號(hào)軌道器和上升器月球軌道交會(huì)對接示意圖

鑒于嫦娥五號(hào)探測器由4個(gè)部分組合而成，多器分工合作的狀態(tài)造就了探測器在太空中不斷分離-組合-再分離-再組合的變形過程，這在我國航天器中絕無僅有。僅軌道器就擁有5個(gè)分離面，既要保證組合狀態(tài)下器與器連得穩(wěn)固，同時(shí)又要確保分離過程的安全可靠，這是探測器研制的難點(diǎn)之一。

據(jù)八院專家介紹，軌道器摒棄了傳統(tǒng)的艙段間包帶連接方式，創(chuàng)新采用多點(diǎn)高強(qiáng)度分離螺母進(jìn)行連接，通過在各分離面配置不同數(shù)量的分離螺母，以滿足艙段間連接強(qiáng)度與剛度要求。同時(shí)雙作動(dòng)分離螺母包含兩套解鎖機(jī)構(gòu)，其中任意一套動(dòng)作，就能確保分離面每一個(gè)分離點(diǎn)的可靠分離。連接穩(wěn)固、分離可靠的連接解鎖與分離關(guān)鍵技術(shù)，是保證“月軌相擁”成功的關(guān)鍵，也成就了嫦娥五號(hào)的從容飛天之旅。

嫦娥五號(hào)在38萬公里外實(shí)施世界首次月球軌道自動(dòng)無人交會(huì)對接與樣品轉(zhuǎn)移示意圖

38萬公里太空實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)對接精度

在38萬公里外實(shí)施世界首次月球軌道自動(dòng)無人交會(huì)對接與樣品轉(zhuǎn)移，對接機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)位置精度和對中性是影響樣品容器轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，對接精度要求達(dá)到毫米級(jí)。

為了解決這一難題，中國航天科技集團(tuán)八院研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地研制出了抱爪式對接機(jī)構(gòu)，配合采用棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)無人交會(huì)對接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)樣品容器的自動(dòng)轉(zhuǎn)移，這一技術(shù)是世界首創(chuàng)，成就了嫦娥飛天采樣返回中極為重要的一環(huán)。

嫦娥五號(hào)探測器在軌工作效果圖

“所謂的抱爪，其實(shí)形象地說，就像我們手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中?！辨隙鹞逄?hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇透露，探測器采用的對接機(jī)構(gòu)就是由3套K形抱爪構(gòu)成的，當(dāng)上升器靠近時(shí)，軌道器只要對準(zhǔn)上升器連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接和“擁抱”。

而軌道器和上升器交會(huì)對接完成后，還要同時(shí)進(jìn)行一個(gè)重要?jiǎng)幼?，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。至此，上升器才算完成自己的神圣使命。

“連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，采用了一個(gè)非常巧妙的設(shè)計(jì)。”胡震宇介紹，“我們利用2套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4次伸縮，使得裝有月壤的容器逐漸移動(dòng)到返回器中。這個(gè)構(gòu)形很像我們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進(jìn)不能后退。這樣做也確保了太空貨品交接時(shí)不會(huì)‘掉棒’?！?

月面上的著陸器與上升器組合體

交會(huì)對接全步驟在21秒內(nèi)完成

捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡單。

“月球軌道相對于地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，這就對時(shí)效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉(zhuǎn)移任務(wù)?！睂訖C(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲解釋，“對接全步驟要在21秒內(nèi)完成，即1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開始到交會(huì)對接，全部采用自動(dòng)控制?！?

作為工程研制單位，八院805所從2011年就開始開展相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)和工程研制，以突破輕小型弱撞擊式對接、復(fù)雜接口自動(dòng)樣品轉(zhuǎn)移、對接與轉(zhuǎn)移一體化等關(guān)鍵技術(shù)。

攜帶月壤容器的上升器打開發(fā)動(dòng)機(jī)離開月球升空，前往月球軌道履行貨品交接的神圣使命

在此基礎(chǔ)上，研制團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了整機(jī)特性測試臺(tái)、性能測試臺(tái)、綜合測試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大世界一流的地面測試系統(tǒng)，先后進(jìn)行了661次對接測試、518次樣品轉(zhuǎn)移測試，充分驗(yàn)證對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)的有效性。

嫦娥五號(hào)對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的研制成功，為探月三期任務(wù)的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)填補(bǔ)了我國在輕小型對接機(jī)構(gòu)工程化研究領(lǐng)域的空白，將為后續(xù)深空探測等任務(wù)提供有力支撐。