這是我國探月工程的又一里程碑。11月24日凌晨4時(shí)30分，我國在文昌發(fā)射場用長征五號(hào)運(yùn)載火箭，成功將嫦娥五號(hào)探測(cè)器送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。
嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個(gè)部分組成。據(jù)國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇：嫦娥五號(hào)任務(wù)有望創(chuàng)造的“中國首次”包括：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會(huì)對(duì)接，四是攜帶約2公斤樣品高速地球再入，五是樣品的存儲(chǔ)、分析和研究。
作為中國航天事業(yè)的一支重要力量，上海航天自然不會(huì)缺席這次探月新旅程，中國航天科技集團(tuán)有限公司八院承擔(dān)了長征五號(hào)助推器和嫦娥五號(hào)軌道器的研制任務(wù)。其中，4個(gè)助推器為長征五號(hào)提供90%的起飛推力。
有“太空郵差”之稱的軌道器，將把珍貴的月壤投送回地球。具體流程為，發(fā)射升空后，嫦娥五號(hào)軌道器攜帶著陸器、上升器以及返回器完成地月轉(zhuǎn)移、中途修正和近月制動(dòng)。進(jìn)入環(huán)月軌道后，軌道器與著陸上升組合體分離，攜帶返回器留軌。之后，軌道器將與從月面起飛的上升器進(jìn)行主動(dòng)交會(huì)對(duì)接，完成人類首次月球軌道自動(dòng)交會(huì)對(duì)接任務(wù)，并將上升器攜帶的樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器；與對(duì)接艙、上升器組合體分離后，軌道器將攜帶返回器進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，在距離地球5000千米處將返回器分離，并保證其再入初始條件。
“太空郵差”馳聘38萬公里
嫦娥五號(hào)任務(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的收官之戰(zhàn)，將刷新世界無人月球采樣返回任務(wù)新紀(jì)錄。其中，軌道器是貫穿任務(wù)全過程的核心產(chǎn)品，也是目前最復(fù)雜的空間飛行器之一。
中國航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹，在整個(gè)任務(wù)過程中，軌道器承擔(dān)地月往返運(yùn)輸、器間分離、交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵任務(wù)。形象地說，在相距38萬公里的地月之間，軌道器要構(gòu)建一條“太空物流”的特殊通道，既承擔(dān)地月往返運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，將“乘客”安全送往目的地，又要在太空中穩(wěn)妥完成“貨品接收和裝箱”，最終返回地球。
期間，軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態(tài)。在組合狀態(tài)下要連得穩(wěn)固，又得在分離時(shí)可靠安全，這是研制的難點(diǎn)之一。軌道器創(chuàng)新采用多點(diǎn)高強(qiáng)度分離螺母進(jìn)行連接，通過在各分離面配置不同數(shù)量的分離螺母，來滿足艙段間連接強(qiáng)度與剛度要求。同時(shí)雙作動(dòng)分離螺母包含兩套解鎖機(jī)構(gòu)，其中任意一套動(dòng)作就能確保分離面每個(gè)分離點(diǎn)的可靠分離。這一高可靠連接分離技術(shù)，成就了嫦娥五號(hào)的從容飛天之旅。
受探測(cè)器整體重量約束的影響，軌道器在具備強(qiáng)大的承載能力的同時(shí)，還得做到身輕如燕。七項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)使之結(jié)構(gòu)質(zhì)量比達(dá)到9.6%，實(shí)現(xiàn)效能最優(yōu)。46千克的承力球冠能承載3噸貯箱，具備30噸的極限承載能力，真正做到“雞蛋殼上掛秤砣”。另外，基于軌道器的分艙段設(shè)計(jì)，研制團(tuán)隊(duì)提出了分區(qū)域管理的分布式綜合電子單機(jī)設(shè)計(jì)思想，借助區(qū)域劃分和整體布局，滿足各艙段的配電管理、熱控管理、信息管理等各項(xiàng)需求。
21秒捕獲“月宮之吻”
嫦娥五號(hào)進(jìn)入環(huán)月軌道后，軌道器與“著陸上升組合體”分離，攜帶返回器留軌。之后，軌道器將與從月面起飛的上升器進(jìn)行主動(dòng)交會(huì)對(duì)接，完成人類首次月球軌道自動(dòng)無人交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移。
捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，在高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)豈是一個(gè)難字了得。況且，月球軌道相對(duì)于地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，必須一氣呵成完成對(duì)接與轉(zhuǎn)移任務(wù)，更是難上加難。對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲表示，對(duì)接全步驟要在21秒內(nèi)完成——1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此，他和團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，包括突破輕小型弱撞擊式對(duì)接、復(fù)雜接口自動(dòng)樣品轉(zhuǎn)移等，構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行上千次實(shí)驗(yàn)，做好35項(xiàng)故障預(yù)案。從啟動(dòng)開始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制。
對(duì)接機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)位置精度和對(duì)中性是影響樣品容器轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，對(duì)接精度要求達(dá)到毫米級(jí)。為了解決這一難題，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地研制出了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)。中國航天科技集團(tuán)有限公司八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花講解道，該結(jié)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。“因此，我們?cè)阪隙鹞逄?hào)上采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計(jì)理念都是世界首創(chuàng)。”
嫦娥五號(hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇進(jìn)一步闡述，所謂抱爪，就像雙手握住棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。探測(cè)器采用的對(duì)接機(jī)構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，兩器隨即緊密連接。
搭建地月信息的傳輸“鵲橋”
不論探測(cè)器飛到多遠(yuǎn)，都需要深空測(cè)控通信系統(tǒng)作為聯(lián)絡(luò)的紐帶。中國航天科技集團(tuán)八院電子所承擔(dān)了軌道器中的測(cè)控?cái)?shù)傳（含天線）、工程圖像與測(cè)量兩個(gè)分系統(tǒng)，以及綜合電子分系統(tǒng)中兩臺(tái)單機(jī)的研制任務(wù)。
工程圖像與測(cè)量分系統(tǒng)肩負(fù)著探測(cè)器太陽翼天線展開、各次分離對(duì)接、月球采樣樣品容器轉(zhuǎn)移等過程的監(jiān)視任務(wù)，理論上至少需要13臺(tái)攝像機(jī)才能滿足任務(wù)需求。同時(shí)，為了對(duì)抗空間艙外惡劣環(huán)境及光照環(huán)境，必須采取合理有效的防護(hù)措施，如采用大遮光罩等，按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鏡頭、電路板等機(jī)電熱組合而成的一臺(tái)攝像機(jī)，最輕的也要0.5千克左右。
研制團(tuán)隊(duì)從空間、時(shí)間雙維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最終確定了每個(gè)攝像機(jī)最小視場角和最優(yōu)安裝布局，保證單個(gè)攝像機(jī)至少可兼顧兩個(gè)抱爪機(jī)構(gòu)，且保證其中一個(gè)攝像機(jī)清晰監(jiān)視月球樣品容器轉(zhuǎn)移全過程。最終該分系統(tǒng)總質(zhì)量從原來的6.5千克減重到2.9千克，配套的攝像機(jī)降到4臺(tái)。
電源是航天器在廣袤太空中持續(xù)運(yùn)行的重要支撐，嫦娥五號(hào)探測(cè)器所需能源超過了我國任何一項(xiàng)月球探測(cè)、深空探測(cè)任務(wù)。中國航天科技集團(tuán)八院811所為軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品攻堅(jiān)，讓電源系統(tǒng)控制器集中了功率調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個(gè)功能，這在探月工程中為首次應(yīng)用。
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