12月17日1时59分 ， 嫦娥五号返回器携带月球样品 ， 在内蒙古四子王旗预定区域安全成功着陆 ， 标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成 ， 探月工程“绕、落、回”三步走收官之战取得了圆满胜利 。 上海航天专家解密了嫦娥五号幕后故事 。
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【样品|嫦娥揽月背后：上海团队做了35项故障预案，一项都没有用上】12月17日凌晨 ， 嫦娥五号返回器携带月球样品 ， 采用半弹道跳跃方式再入返回 ， 在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆 。新华社 图
为了飞回地球必须“轻装上阵”
本次探测中 ， 嫦娥五号轨道器热控系统研制任务由中国航天科技集团有限公司八院509所热控团队承担 。
既要节约能源、轻装上阵 ， 又要应对好200余个可能的高低温热环境、经受住最高1300℃的高温考验 ， 509所热控团队克服重重困难 ， 在热控重量“瘦身”的同时 ， 开创性采用错峰补偿控温策略和二次热防护复合系统 ， 在大幅度节约重量和功率的同时做好热控 ， 为嫦娥五号奔月之旅保驾护航 。
如何用最少的重量达到最优的效果？设计团队对热管内部结构进行优化 ， 新研了微结构热管 ， 不仅质量更轻 ， 而且传热能力增加达130% 。 与此同时 ， 团队让每台设备穿上厚薄不同的“衣服” ， 将散热涂层厚度减薄30% ， 热控重量从占整器3%减少到1.3% 。
热控团队副主任设计师张彧介绍 ， 在整个飞行阶段 ， 轨道器需历经19个飞行阶段、8种飞行姿态及5种不同的构型 ， 飞行过程中要经历极为恶劣的热环境 ， 长期经受太阳、月球和空间低温的交替 ， 引起轨道器外表面高低温的剧烈变化 ， 其温度范围可从摄氏零下二百多度变至上千度以上 。
通过大量的仿真、试验 ， 热控团队探索出一套错峰补偿的控温策略 ， 实现热控系统在近月制动、交会对接等关键阶段的用电高峰期时加热功耗为0的目标 ， 确保整器有充足的能源完成关键任务 。
为了更快更稳地飞到月球 ， 嫦娥五号轨道器共配备了39台发动机 ， 分布在舱体的各个位置 ， 发送机工作时温度会升至1100-1300℃ 。 “如果热防护做不到位 ， 轨道器就会被高温‘烧伤’” ， 副主任设计师刘冈云介绍 ， 通过多轮仿真和试验 ， 热控团队开创性地提出了二次热防护复合系统 ， 将发动机高温辐射影响由1300℃降低到了200℃ ， 将热防护重量大幅下降了约3成 。
做了35项故障预案 ， 最后一项也没有用到
探月工程三期任务最引人瞩目的 ， 当属首次在38万公里之外的月球轨道上进行交会对接 ， 将装有月壤的样品容器从上升器转移至返回器中 。
为了完成技术攻关 ， 轨道器副总师胡震宇与对接与样品转移分系统时任主任设计师郑云青带领年轻的团队成员 ， 广泛调研国内外对接机构设计 ， 开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计 ， 上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种 ， 通过多轮方案比较及关键技术攻关 ， 最终确定了现在的抱爪式对接方案和连杆棘爪转移方案 。
两年半的初样阶段 ， 对接与样品转移机构团队迭代设计了3套图纸 ， 相继出炉了电性件、热控件、电测件、结构件、能力件、鉴定件6套产品 。
对接与样品转移分系统副主任师刘仲说道：“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 ， 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 。 团队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 。 ”
对接与样品转移分系统虽然只划分为主动件和被动件两个单机 ， 但主动件下还包含3套抱爪机构和2个转移机构 ， 每套抱爪机构和转移机构均为独立驱动 ， 均含有独立的抱爪驱动机构和转移驱动机构 。 3套抱爪机构同步工作完成对接任务 ， 2套转移机构同步工作完成样品转移任务 。 将对接和转移任务的技术指标一步步分解到单机下属的各个部组件 ， 难度相当大 ， 需要具备很强的分析计算能力 ， 但上海团队还是做到了 。
在飞控归来时 ， 刘仲激动地说：“为保证任务顺利完成 ， 我们做了35项故障预案 ， 12月6号（月轨相拥）那天一项都没有用上 ， 这就是最好的结果”。
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