举世关注的“月轨相拥”成功上演 。
12月6日5时42分 ， 嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接 ， 并于6时12分将月球土壤样品容器安全转移至返回器中 ， 完成了“回家”前的“月球土特产快递揽件”任务 。
这是我国首次实现月球轨道交会对接 。
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嫦娥五号探测器 本文图片均由中国航天科技集团提供
作为探月三期的收官之战 ， 嫦娥五号将刷新人类无人月球采样返回任务新纪录 。 而轨道器作为贯穿任务全过程的核心产品 ， 是名副其实的“太空邮差”——它在相距38万公里的地球和月球之间 ， 构建起一条太空“物流”的特殊通道 ， 既承担地月往返运输的任务 ， 将乘客安全地送往目的地 ， 同时又在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱” ， 将珍贵的月壤样品投送回蓝色地球 。
突破了多项连接分离关键技术
“在整个任务过程中 ， 轨道器在轨共有5次分离、6种组合体状态 ， 承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务 ， 是目前最复杂的空间飞行器之一 。 ”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍 ， 针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难以及运载与发射场新的“三多、两难、一新”特点 ， 上海研制团队突破了多项关键技术 。
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嫦娥五号轨道器和上升器月球轨道交会对接示意图
鉴于嫦娥五号探测器由4个部分组合而成 ， 多器分工合作的状态造就了探测器在太空中不断分离-组合-再分离-再组合的变形过程 ， 这在我国航天器中绝无仅有 。 仅轨道器就拥有5个分离面 ， 既要保证组合状态下器与器连得稳固 ， 同时又要确保分离过程的安全可靠 ， 这是探测器研制的难点之一 。
据八院专家介绍 ， 轨道器摒弃了传统的舱段间包带连接方式 ， 创新采用多点高强度分离螺母进行连接 ， 通过在各分离面配置不同数量的分离螺母 ， 以满足舱段间连接强度与刚度要求 。 同时双作动分离螺母包含两套解锁机构 ， 其中任意一套动作 ， 就能确保分离面每一个分离点的可靠分离 。 连接稳固、分离可靠的连接解锁与分离关键技术 ， 是保证“月轨相拥”成功的关键 ， 也成就了嫦娥五号的从容飞天之旅 。
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嫦娥五号在38万公里外实施世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移示意图
38万公里太空实现毫米级对接精度
在38万公里外实施世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移 ， 对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键 ， 对接精度要求达到毫米级 。
为了解决这一难题 ， 中国航天科技集团八院研制团队创造性地研制出了抱爪式对接机构 ， 配合采用棘爪式转移机构 ， 在自动无人交会对接的同时 ， 实现样品容器的自动转移 ， 这一技术是世界首创 ， 成就了嫦娥飞天采样返回中极为重要的一环 。
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嫦娥五号探测器在轨工作效果图
“所谓的抱爪 ， 其实形象地说 ， 就像我们手握棍子的动作 ， 两个方向一用力 ， 就可以把棍子牢牢地握在手中 。 ”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇透露 ， 探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的 ， 当上升器靠近时 ， 轨道器只要对准上升器连接面上的3根连杆 ， 将抱爪收紧 ， 就可以实现两器的紧密连接和“拥抱” 。
而轨道器和上升器交会对接完成后 ， 还要同时进行一个重要动作 ， 就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中 。 至此 ， 上升器才算完成自己的神圣使命 。
“连杆棘爪式转移机构 ， 采用了一个非常巧妙的设计 。 ”胡震宇介绍 ， “我们利用2套倒三角形构型的棘爪 ， 通过4次伸缩 ， 使得装有月壤的容器逐渐移动到返回器中 。 这个构形很像我们经常使用的扎带 ， 相连后就只能单方向传递 ， 只能前进不能后退 。 这样做也确保了太空货品交接时不会‘掉棒’ 。 ”
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月面上的着陆器与上升器组合体
交会对接全步骤在21秒内完成
捕获、收拢、转移 ， 看似简单的过程 ， 但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现 ， 却远远没有那么简单 。
“月球轨道相对于地球轨道有时延 ， 时间走廊较小 ， 这就对时效性要求非常高 ， 必须一气呵成完成对接与转移任务 。 ”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲解释 ， “对接全步骤要在21秒内完成 ， 即1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧 。 为此我们做了35项故障预案 ， 从启动开始到交会对接 ， 全部采用自动控制 。 ”
作为工程研制单位 ， 八院805所从2011年就开始开展相关技术的攻关和工程研制 ， 以突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术 。
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携带月壤容器的上升器打开发动机离开月球升空 ， 前往月球轨道履行货品交接的神圣使命
在此基础上 ， 研制团队还构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大世界一流的地面测试系统 ， 先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试 ， 充分验证对接与样品转移机构地面试验的有效性 。
嫦娥五号对接与样品转移机构的研制成功 ， 为探月三期任务的实施奠定了坚实技术基础 ， 同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白 ， 将为后续深空探测等任务提供有力支撑 。
【样品|月轨交会对接背后：对接测试661次、样品转移测试518次】(本文来自澎湃新闻 ， 更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
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