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笃行 笃行十年，只为飞天揽月取把土，上海航天打造史上最难“探测器”

笃行 笃行十年，只为飞天揽月取把土，上海航天打造史上最难“探测器”
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“地球耕耘六万载，嫦娥思乡五千年”，中华民族对头顶一轮弯月有着不可言说的“迷恋”，从神话故事中的“嫦娥奔月”“玉兔捣药”、从“床前明月光”到“对影成三人”，这一轮陪伴了几千年中华民族共同成长的月亮，在2020年底，终于接到了“娘家人”，这一切离不开嫦娥五号飞天揽月的壮举，这一仗，不仅仅是探月三期收官之战，更是对中国航天科技集团八院嫦娥五号研制团队十年奋斗的肯定，是无数次快要迷路时候，在希望与绝望不断摇摆中最重要的那方指南针。
笃行十年，只为飞天揽月取把土
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2009年，探月工程三期展开立项论证，到底用什么构型、到底取多少样本？都是迫切关注的问题，当时国际上已存有类似成功方案，苏联航天局共进行了3次月球无人取样返回计划，共取回大约300多克月壤样品，单次最高170克，与我国嫦娥五号一次采集两公斤左右月球样品差距较大。我国为什么以两公斤作为取样重量值，设计时候嫦娥五号探测器的重量就要达到8.2吨左右，如果增加取样重量，探测器相应的指标也会大幅增加，这样就会超过运载火箭的运载能力，因此两公斤是较为合理的数值。
论证过程中，返回器、着陆器、上升器均有载人航天和探月工程一期、二期的研制基础，由中国航天科技集团八院研制的“太空摆渡车”——轨道器可谓是白手起家。根据任务要求，嫦娥五号轨道器需在自身干重1吨多情况下，头顶3.7吨的着陆上升组合体，肚装3吨推进剂和300多公斤的返回器，并在飞行过程中依次分离着陆上升组合体、对接与样品转移机构和返回器，是我国首个具有大承载，分离面多特点月球探测飞行器。为了达到构型优化与减重目标，总体、结构、热控等多个系统展开头脑风暴，先后论证了十余种构型，最后又收敛到四种构型上进行终极的PK。最终在继承神舟飞船推进舱外承力筒大构型的基础上，创新性提出了支撑舱、对接舱和推进仪器舱的三舱构型方案，实现了“头顶”和“肚中”载荷两条路线独立传递，极大的提高了结构承载效率；实现了支撑舱、对接舱专舱专用，用后即抛，既为后续任务的实施腾出通道，又减轻了质量，节约了推进剂。
“嫦娥五号”着陆器与上升器组合体成功采样之后，携带月壤的上升器是无法利用自身的动力返回地球的。必须通过“太空物流”的形式将货物安全带回。因此，采用类似“天宫”“神舟”这样的交会对接方式是最好的“搭乘”办法。按照计划，在月球轨道，由上升器和轨道器完成首次月球轨道交会对接，并将珍贵的月球土壤样品“包裹”转移至返回器内。轨道器就像在月球轨道环绕的“邮差”，勤勤恳恳地完成“打包”和“装箱”后，迅速进入月地转移轨道执行隔空投送，将月壤样品捎回蓝色星球。
想要收获72变的本领，就要撑得住81难的考验
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捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外的飞行器上实现却远远没有那么简单。与载人航天使用的近地轨道异体同构周边式对接机构相比，月球探测对探测器的质量和空间要求更为严苛，重量要减小到周边式对接机构的十五分之一左右，同时还要具备样品容器捕获和自动转移功能，要求精度更高，过程更稳。“作为世界首次月球轨道无人交会对接，可以说对此次任务成败起决定性作用”，嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说，单从交会对接与样品转移任务来看，可靠性是要求最高的，因为整个过程只能一次成功，没有第二次机会。为了保证它的可靠性，对接与样品转移机构做了多重冗余，仅仅对接验证试验，地面就模拟了数千次，确保万无一失。同时，月球轨道相对地球轨道有时延，时间走廊较小，对时效性要求非常高。环月轨道的交会对接任务需要在21秒内完成，1秒捕获，10秒校正，10秒锁紧。样品转移任务接口多，环节多，过程复杂。
嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍， 样品容器自动转移功能是探测器系统的关键功能之一，必须万无一失，且与前段对接过程高度匹配，才能实现样品转移的最终目标。因此，对机构的高精准定位、转移工作运动平稳连续互不干扰互相配合，难度已经很大，更难的是如何在地面上验证月球轨道呢？高度自主的对接与样品转移、微重力、弱撞击等多种对接初始条件，每一项可靠性验证工作都汇集了一次次地面试验方法的设计与无数次试验的重复。随着产品设计、研制的深入，整机特性测试台、性能测试台、综合测试台三大测试系统先后投入使用， 两年的关键技术攻关，6套产品4台大型试验设备的初样阶段，661次对接和518次样品转移试验，对接机构与样品转移分系统的设计师们重重闯关，攻坚克难，踏上了10年的研发、制造与测试之路。精准对接，无缝转移，轨道器对接与样品转移机构从无到有，披荆斩棘一路至今，做到坚实的臂膀迎接上升器，温和的转移对待样品容器，成就了飞天嫦娥样品返回中极为重要的一环。

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