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机构|嫦娥揽月｜上千次试验，高科技圆38万公里“月宫之吻”

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12月6日 ， 经过多天的飞行 ， 嫦娥五号轨反组合体终于迎来了带着月球“特产”（月球样品）的上升器 ， 实现我国首次月球轨道的交会对接 。
在嫦娥五号探月任务的诸多看点之中 ， 人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移无疑是最大的亮点之一 。 但这一38万公里外的“月宫之吻”实现起来并不简单 ， 由中国航天科技集团有限公司八院研制的对接与样品转移机构在交会对接中扮演重要角色 。

机构|嫦娥揽月｜上千次试验，高科技圆38万公里“月宫之吻”
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轨道器和上升器月球轨道交会对接 。 图片来源：中国航天科技集团
一样的名字 ， 不一样的对接
嫦娥五号将实现人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移 。 虽同名“交会对接” ， 但嫦娥五号采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天采用的对接方式有很大的区别 。
载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构 ， 在对接后可形成一个80厘米左右的通道 ， 方便航天员在其中穿行 。 而与近地轨道的任务不同 ， 月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制 ， 嫦娥五号的对接机构必须做到小而精 ， 其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一 ， 同时 ， 还要具备样品容器捕 获、自动转移功能 ， 重量更轻、精度更高、过程更稳 。
“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点 。 因此 ， 我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构 ， 通过 增加连杆棘爪式转移机构 ， 实现了对接与自动转移功能的一体化 ， 这些设计理念都是世界首创 。 ”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说 。
“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指出 。 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 ， 只要对准连接面上的3根连杆 ， 将抱爪收紧 ， 就可以实现两器的紧密连接 。
而轨道器和上升器对接完成后 ， 还要进行一个重要动作 ， 就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中 。
“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 。 ”

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嫦娥五号采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天采用的对接方式有很大的区别 。
上千次试验 ， 只为交会对接不差分毫
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道 ， “对接全步骤要在21秒内完成 ， 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 。
“我们构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统 ， 先后进行了超过1000次样品转移 测试 ， 通过不断地测试、优化 ， 确保自动对接与样品转移过程的万无一失 ， ”刘仲表示 ， “我们甚至在试验中故意加入小故障 ， 让对接机构自动判别 ， 进行故障排除 ， 确保整个过程一气呵成、稳妥可靠 。 ”
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 。

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嫦娥五号探测器
拍摄“神器” ， 见证“月宫之吻”
今年7月27日 ， 我国首个火星探测器天问一号在飞离地球约120万公里处回望地球 ， 并拍下了在茫茫宇宙中相互守望的地月合影照片 ， 一时间刷爆网络 ， 拍下这张刷屏照片的即为光学导航敏感器 。 这一拍摄“神器”也见证了此次“月宫之吻” 。
不同于探火任务中光学导航敏感器的副业发挥 ， 此次嫦娥五号所搭载的双谱段监视相机有主业任务 ， 那就是记录轨道器与上升器的交会对接过程 ， 以及轨道器与着陆器/上升器组合体分离、与支撑舱分离过程 。 与以往任务中所搭载的监视相机不同的是 ， 这款相机集红外和可见光成像于一体 ， 红外和可 见光传感器经各自的光学镜头获取图像数据 ， 根据遥控指令要求 在六种拍摄模式中自由切换 ， 实现红外和可见光分别或同时成像 。
八院控制所光学导航专家郑循江介绍说：“这就相当于给普通相机加了一个夜视仪 ， 即使交会对接过程发生在月背 ， 接收不到太阳光照 ， 我们也可以通过红外相机记录下全过程 。 ”“而在有光照的情况下 ， 如果光照太强 ， 可见光相机拍摄的照片也可能存在过曝的情况 ， 影响观看效果 。 有了这款双谱段相机 ， 就可确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程 ， 也可以让大众从红外 镜头的视角看看太空 。 ”郑循江表示 。
为了给全国人民带来高清的视觉感受 ， 本次搭载在轨道器上的相机 ， 其可见光谱段分辨率达到 2048×2048 ， 红外谱段分辨率为 640×480 。 并要在此基础上实现红外和可见光同时成像 ， 数据量巨大 ， 研制初期产品始终无法达到任务要求的帧频 。 后来 ， 经过项目团队 ， 尤其是软件设计师近两个月的攻关 ， 数轮头脑风 暴 ， 最终通过优化软件架构和算法 ， 提升软件运行效率 ， 成功解决了该问题 。 后面 ， 团队还解决了数据传输和海里数据处理等问题 。
【机构|嫦娥揽月｜上千次试验，高科技圆38万公里“月宫之吻”】(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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