我國首次實現(xiàn)月球軌道交會對接，嫦娥五號完成在軌樣品轉(zhuǎn)移
38萬公里之外的親密“牽手”(科技自立自強·逐夢深空)
本報記者 余建斌 馮 華
《 人民日報 》( 2020年12月07日 第 12 版)
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12月6日凌晨，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。
這是我國首次實現(xiàn)月球軌道交會對接，也是人類首次在月球軌道進行無人交會對接。按計劃，嫦娥五號將于12月中下旬返回地球。
肩負從月球取樣返回使命的嫦娥五號探測器，再次順利邁過重要關(guān)口。12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并于6時12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。這是我國首次實現(xiàn)月球軌道交會對接，也是人類首次在月球軌道進行無人交會對接。
月軌交會對接有多難
像浩瀚太空中的“穿針引線”
據(jù)國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，嫦娥五號上升器從月球表面成功起飛后，進入交會對接初始軌道，隨之在地面測控系統(tǒng)遠程導(dǎo)引下，到達軌返組合體的前方、上方預(yù)定位置。隨后，軌返組合體自主實施近程導(dǎo)引，靠攏上升器，用抱爪方式與上升器完成月球軌道交會對接，并最終完成在軌樣品轉(zhuǎn)移。
兩個航天器在空間的交會對接，好比是浩瀚太空中的“穿針引線”。我國航天器的近地軌道交會對接由“神舟”和“天宮”進行過多次，但在月球軌道上還是第一次。
專家指出，此次交會對接在距離地球38萬公里之外的月球軌道，必須在規(guī)定時間內(nèi)完成，若時間太長，則星上能源、熱控將無法支撐。加上月球軌道每圈有1/3的時間位于月球背面，沒有測控信號，以及月球上空沒有衛(wèi)星導(dǎo)航星座為飛行器導(dǎo)航，要精確預(yù)測兩個航天器在月球軌道上飛行的位置和速度，達到交會對接所需的精度，對地面測控系統(tǒng)和導(dǎo)航控制技術(shù)都提出了很高要求。如果一次不成功，重新進行交會對接需要2到3天來組織，有很大風(fēng)險錯過月地轉(zhuǎn)移的返程窗口。
進入交會對接過程的近程自主控制階段，地面人員只能“觀棋不語”。由于月球軌道的交會對接精度要求是厘米級，地月之間的距離過于遙遠，因此這一階段的交會和對接過程將由航天器上的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)智能自主完成，技術(shù)難度很大。
在近程自主控制段，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)實時調(diào)整軌道和姿態(tài)，在微波雷達、激光雷達和交會對接相機的接力保障下，軌返組合體一步步追上上升器，直到可以“牽手”的距離，之后雙方保持相同速度飛行。
“與近地軌道相比，月軌環(huán)境更復(fù)雜，所以自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。”中國航天科工二院25所交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，我國航天器在近地軌道進行過多次交會對接，都成功應(yīng)用了微波雷達。這次為了引導(dǎo)首次月球軌道無人交會對接，又專門研制了嫦娥五號交會對接微波雷達。
當軌返組合體、上升器相距約100公里時，微波雷達已開始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩航天器之間的相對運動參數(shù)，并進行雙向通信，兩航天器根據(jù)雷達提供信號調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對接機構(gòu)捕獲并鎖定上升器。
怎樣確保“牽手”成功
首創(chuàng)抱爪機構(gòu)的設(shè)計理念
在月球軌道上，軌返組合體重達2.3噸左右，怎樣順利和重量400公斤左右的上升器在交會后緊緊“牽手”？
中國航天科技集團的專家介紹，和我國已掌握的地球軌道交會對接采用的小星追大星、弱撞擊的方式實現(xiàn)對接不同，嫦娥五號軌返組合體追上升器屬于大星追小星，用撞擊的方式對接可能會把上升器撞飛。所以，嫦娥五號采用的停控加抓取的方式，就是在軌返組合體追上上升器并以相同速度飛行過程中，從后面“伸手”牽過上升器之后拉緊，實現(xiàn)對接。這個過程中，軌返組合體稍有不慎就會將身姿輕盈的上升器撞飛。這需要軌返組合體對于速度、位置和微重力環(huán)境、熱環(huán)境都有極為細致的把握，用極高的控制精度來保證任務(wù)完成。
為了緊密“牽手”，軌返組合體身上安裝了3個對接機構(gòu)主動件，也就是“抱爪”，在運動過程中完全貼近上升器，并將上升器拉入懷中，完成“抱緊式”交會對接。
“抱爪機構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點。我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構(gòu)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)，實現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計理念都算是首創(chuàng)。”中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花說。
“所謂的抱爪，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號軌道器技術(shù)副總負責人胡震宇說，探測器采用的對接機構(gòu)就是由3套抱爪構(gòu)成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現(xiàn)兩器的緊密連接。
軌返組合體和上升器對接完成后，還要進行一個重要動作，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器，并穩(wěn)穩(wěn)固定在樣品艙。
在載人航天飛行任務(wù)中，當神舟飛船和天宮實驗室對接后，有足夠的通道空間供航天員穿艙而過。月球樣品雖小，但轉(zhuǎn)移的通道和進入的容器也十分狹小。如此小的一個動作，在過去人類航天歷史上并沒有出現(xiàn)過。
捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運行的航天器上實現(xiàn)并不簡單。對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負責人劉仲說，光是故障預(yù)案就做了35項。
交會對接后干什么
采取半彈道跳躍式辦法返回
12月6日12時35分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進入環(huán)月等待階段，準備擇機返回地球。按計劃，嫦娥五號將于12月中下旬返回地球。
在我國歷次探月任務(wù)中，有過航天器在月球軌道上長期飛行，或是最后完全脫離月球引力場去更遠的星際空間。從月球軌道上回到地球則是第一次。
專家指出，精確設(shè)計返回軌道是嫦娥五號返回器順利著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸點的關(guān)鍵保障。而對擔負搜尋回收嫦娥五號返回器任務(wù)的地面測控與回收系統(tǒng)來說，為了始終能“看見”航天器和月球，也要通過深空測控站、中繼衛(wèi)星和大洋上的航天測量船，實現(xiàn)全天候?qū)︽隙鹞逄柕年P(guān)注。
當嫦娥五號軌道器攜返回器由月球向地球呼嘯而來，在接近地球大約5000公里高度時會將返回器釋放出來。隨后返回器將獨自以每秒約11公里的第二宇宙速度返回地球，比從近地軌道返回地面的神舟載人飛船返回艙要快得多。
為了解決減速難題，科技人員設(shè)計了半彈道跳躍式返回的辦法。當返回器進入地球大氣層后，經(jīng)過減速，將再次跳出大氣層，隨后再進行第二次進入大氣層。通過這種方式，進入地球大氣層的返回器速度就將從十幾公里每秒降低到七點幾公里每秒，從而達到安全降落地面的目的。