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微波|38万公里之外的“太空牵手”

嫦娥 雷达 孙武 团队 月球 机构 嫦娥五号 样品 上升器 微波 航天专家 轨道交会 次测试

12月6日 ， 经历了6天的孤独绕月之旅 ， 嫦娥五号的轨道器作为此次探月任务的短驳车 ， 终于等来了它的“乘客”——上升器 ， 并相拥在一起 。
当天凌晨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分将样品容器安全转移至返回器中 。
这是我国首次实现月球轨道交会对接 ， 也是距离地球38万公里的首次“太空牵手” 。 中青报·中青网采访人员采访相关航天专家 ， 揭秘“牵手”背后的“黑科技” 。
21秒一气呵成的背后 ， 是地面上千次测试
熟悉航天的人 ， 对“交会对接”并不陌生 ， 我国载人航天任务此前多次向公众呈现过这一形式 。 然而 ， 嫦娥五号所采用的具体对接方式 ， 却与之前大不相同 。
中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说 ， 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；相应地 ， 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 。
张玉花告诉采访人员 ， 设计团队在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构 ， 这种机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点 ， 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 。
“所谓‘抱爪’ ， 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说 。
据他介绍 ， 嫦娥五号探测器采用的对接机构 ， 由3套K形抱爪构成 ， 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球“‘土’特产”的样品容器转移到返回器中 。
胡震宇说 ， 连杆棘爪式转移机构 ， 采用了一个非常巧妙的设计 ， 设计团队利用两套倒三角形构型的棘爪 ， 通过4次伸缩 ， 可以让容器逐渐移动到返回器中 。 这个构型很像人们经常使用的扎带 ， 相连后就只能单方向传递 ， 只能前进不能后退 。
捕获、收拢、转移 ， 看似简单的过程 ， 要在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 。
【微波|38万公里之外的“太空牵手”】对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲说 ， 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——对接全步骤要在21秒内完成 ， 1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧 。 为此 ， 设计团队作了35项故障预案 ， 从启动开始到交会对接 ， 全部采用自动控制 。
据他介绍 ， 设计团队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661次对接测试、518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 。
“我们团队甚至在试验时故意加入一些小故障 ， 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 。 ”刘仲说 。
百公里外“牵线搭桥” ， 难度更大
完美“牵手”之前 ， 先要让轨道器和上升器靠近对方 。 中国航天科工集团二院25所研制的嫦娥五号交会对接微波雷达 ， 作为中远距离测量的唯一手段 ， 为此次交会对接“牵线搭桥” 。
据中国航天科工集团二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武介绍 ， 在此前的载人航天工程任务中 ， 中国航天器在近地轨道已进行过多次交会对接 。 但在距离38万公里之外的月球轨道实施“牵手” ， 还是第一次 ， 因此难度更大 。
“与近地轨道相比 ， 月球轨道没有卫星导航等服务资源 ， 微波通信是中远距离的唯一手段；月轨环境更复杂 ， 要克服月球引力影响 ， 自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻 。 ”孙武说 。
他告诉采访人员 ， 当轨道器、上升器相距约100公里时 ， 微波雷达开始工作 ， 不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数 ， 并进行双向空空通信 ， 两部航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态 ， 直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器 。 随后 ， 上升器中的月壤样品和容器转移 。
“因为嫦娥五号的轨道器和上升器交会对接 ， 是体量相差巨大的‘大追小’复杂受力过程 ， 采用了抱爪式的弱撞击对接机构 。 这样一来 ， 需要微波雷达的测角精度更高 。 ”孙武说 。
微波雷达项目主任设计师贺中琴说 ， 设计团队采用了创新的误差补偿算法 ， 进一步提高了微波雷达的测角精度 ， 大幅提升了精准对接的胜算 。
“我们为这次交会对接打造的不仅是‘千里眼’ ， 还是‘顺风耳’ ， 升级后的它更小巧、更强大、更可靠 。 ”孙武说 。
据他介绍 ， 微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时 ， 还升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业” 。 从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式 ， 升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话” ， 实现了遥控指令和遥测参数的双向传输 。
“以前就像老师上课点名 ， 雷达发消息 ， 应答机答到 。 而现在它们不仅自己要通话 ， 还要负责上升器和轨道器之间的信息传递 。 ”贺中琴说 。
太空拍照“神器”完美记录“拥抱”全过程
从“太空之吻”变成“月轨牵手” ， 由中国航天科技集团八院控制所研制的红外及可见光双谱段监视相机 ， 定格了发生在38万公里之外高速运行的两器“相拥”瞬间 。
八院控制所光学导航专家郑循江说 ， 此次嫦娥五号所搭载的双谱段监视相机是一款专业拍照“神器” ， 其主业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和上升器组合体分离、与支撑舱分离的过程 。
据他介绍 ， 与以往任务相机不同的是 ， 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6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 。
郑循江打了一个比方：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 ， 接受不到太阳光照 ， 地面人员也可以通过红外相机记录下全过程；当然 ， 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存在过曝的可能 ， 影响观看效果 。 有了这款双谱段相机 ， 则可确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程 ， 也可以让公众从红外镜头的视角看看太空 。
满足清晰度和帧频要求后 ， 数据传输又成了大问题 ， 如同一条单行道要承载双倍的车流 ， 拥堵在所难免 。 该设备主管设计师王峰表示 ， 要避免这种情况 ， 就要从图像、视频压缩技术上下功夫 。 项目团队经过多种尝试 ， 最终选择了先插值再压缩的方式 ， 将压缩后的数据下传至地面解压恢复 。 “不仅有效控制了研制成本 ， 也给‘寸土寸金’的轨道器留出了更多运输有效载荷的空间 ， 我们探索了一条引民用技术为航天产品所用的技术途径 ， 同时也为时下热门的商业航天和传统航天产品降本增效提供了思路 。 ”王峰说 。
12月6日12时35分 ， 在“太空牵手”大片传回几个小时之后 ， 嫦娥五号再次迎来进展：其轨道器和返回器组合体与上升器成功分离 ， 进入环月等待阶段 ， 准备择机返回地球 。
接下来 ， 嫦娥五号探测器就要携带月球“土特产” ， 重新投入地球的怀抱了 。
中青报·中青网采访人员 邱晨辉 来源：中国青年报

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