嫦娥五号完成样品在轨转移

来源:万维网

记者从国家航天局获悉，北京时间12月6日5时42分，嫦娥五号上升管与轨道器和返回器组合成功交会对接，样品容器于6时12分安全转移至返回器。

这是中国首次实现月球轨道交会对接。

轨道飞行器逐渐接近上升管。

从开始上升到绕月轨道，轨道器和返回器的组合通过远程制导和近程自主控制逐步逼近上升，上升由抓爪捕获，从而完成交会对接。

随后，嫦娥五号轨道器和返回器的组合将与上升管分离，并在一个机会返回地球。

轨道飞行器和升降舵完成会合和对接。

那么，这38万公里外的深情拥抱是如何完成的呢？

对接机构的设计理念是世界首创

嫦娥五号采用的对接方式与中国载人航天任务的交会对接方式有很大不同。

载人航天中使用的对接机构称为异源同构外围对接机构，对接后可形成约80 cm的通道，方便航天员穿行。然而，月球探测对质量和空有严格的限制。嫦娥五号的对接机构一定要小而精，重量要减到周边对接机构的五分之一。同时应具备样品容器采集和自动转移功能。

据中国航天科工集团第八研究院嫦娥五号探测器副司令张玉华介绍，研究组在嫦娥五号上采用了爪形对接机构，通过增加连杆棘爪传递机构，实现了对接和自动传递功能的一体化。这些设计理念世界第一。

嫦娥五号卫星副首席技术官胡振宇介绍说，对接机构由三套“K”形卡爪组成。“所谓爪，就像是我们手中拿着棍子的动作。当我们向两个方向用力时，我们可以把棍子牢牢地握在手中。”他说，立管靠近时，对准连接面上的三根连杆，拧紧卡爪，就可以连接紧密。

捕捉、折叠、转移的过程看似简单，但在38万公里外高速运行的飞机上实现却不那么容易。

“月球轨道相对于地球轨道有延迟，时间走廊小。这就要求非常高的时效性，必须一次完成对接和转接任务。”对接机构和样品转移子系统技术负责人刘忠表示，整个对接过程应该在21秒内完成，包括1秒捕捉、10秒校正和10秒锁定。为此，研究小组制定了35个故障计划，从启动到交会对接都采用自动控制。

他们还搭建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热模拟空测试台四个测试系统，先后进行了661次对接测试和518次样品转移测试。刘忠说，研究人员甚至在实验中故意添加小故障，使对接机构能够自动识别和排除故障，从而确保自动对接和样品转移过程万无一失。

百公里之外做媒

在实现完美对接之前，轨道飞行器和升降舵应该相互靠近。中国航天科工二院25所研制的嫦娥五号交会对接微波雷达，作为此次交会对接唯一的中远程测量手段，“配桥”。

记者从25个台站了解到，该雷达是一对产品，由雷达主机和应答机组成，分别安装在嫦娥五号轨道飞行器和升降舵上。当两个设备之间的距离约为100公里时，雷达开始工作，不断为导航控制子系统提供两个设备之间的相对运动参数，并进行双向通信。两个装置根据雷达提供的信号调整飞行姿态，直到对接机构捕获并锁定。

据交会对接微波雷达总工程师孙武介绍，在我国载人航天工程中，航天器在近地轨道多次交会对接，应用了25部微波雷达。不同的是这次交会对接是在38万公里外的月球轨道上，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，微波通信是唯一的中长距离测量手段。同时，月球轨道环境更加复杂，需要克服月球引力的影响。因此，微波雷达对自动交会对接的要求极其苛刻。

为此，25家研究所攻克了广角测量等关键技术。

交会对接是一个体积相差巨大的“大追小”的复杂受力过程，采用爪形弱冲击对接机构，对微波雷达测角精度要求较高。“我们采用了创新的误差补偿算法，将微波雷达的角度测量精度从0.15°提高到0.1°。”微波雷达项目总设计师何表示，随着精度的提高，当对接双方距离为20米时，立管对接机构抓手的锁定圆面从之前的5厘米半径减小到3厘米。这2 cm的差距大大提高了准确对接的几率。

另外，立管落月时不可避免会形成灰尘，可能会干扰对接转发器，降低测角精度。所以设计师在应答机上安装了一个特殊材料的防尘罩，就像戴上了透视用的护目镜一样，避免了这个隐患。

样品转移拒绝“堵塞”

在轨道器和上升管对接后，上升管上装满月球土壤的样品容器应该转移到返回器上。

胡振宇介绍说，这一步使用的连杆棘爪式传递机构采用了非常巧妙的设计。它采用两套倒三角形棘爪，通过四次伸缩，使容器逐渐向回位者移动。

为了实现样品的顺利交接，航天科工集团八院149厂对接转样机构的组装团队付出了艰辛的努力。

149厂副总经理卢海滨表示，对接机构中对接环的运动位置精度和对准是影响月球样品转移成败的关键因素之一。对接传样机构是一种弱刚性结构，体积小，结构复杂，但功能多，组装时对测量量和精度要求较高。

在转移过程中，对接机构和样品转移子系统形成一个封闭的微型隧道，受限于产品特性的六个自由度。在开发过程中，团队主要运营人吴军、顾景海发现，系统的运行在理论和实践上都存在偏差。由于六个自由度的限制，原本刚度较弱的结构很容易受到外界压力变形，无法满足5微米的侧向精度要求。

“限制产品的六个自由度是为了保证样品在转移过程中的结构约束。但是，在实验中，出现了‘卡死’的现象。”吴军说。

他们仔细分析了运动轨迹和传递路径，并提出了一个方案，将限制降低到两个自由度，左、右和旋转。所以他们把原本是圆孔的限位装置改成了“方孔+平轴”。经过不断的修改和改进，传送机构可以顺利完成每一个指令和动作，没有偏差，每个位置的精度误差不超过5微米。

完美记录“拥抱”的全过程

发生在38万公里外的交会对接过程，由航天科工集团第八研究所研制的红外和可见光双光谱监视摄像机记录，完美呈现给关注嫦娥的千千数千人

嫦娥五号搭载的双光谱监视摄像机不同于以往任务中使用的监视摄像机，它集红外和可见光成像于一体。红外和可见光传感器通过各自的光学镜头采集图像数据，并可以根据遥控指令在六种拍摄模式之间自由切换，从而分别或同时实现红外和可见光成像。

根据控制研究所光学导航专家郑的说法，这种相机相当于在普通相机上增加了夜视设备。即使交会对接过程发生在月球背面，无法被太阳照亮，也可以用红外相机记录下来。在光照的情况下，如果光照太强，可见光相机拍摄的照片可能会曝光过度。这种双光谱相机可以记录全天和全光条件下的交会对接过程。

为了向观众呈现高清画质，相机可见光谱分辨率达到2048×2048；红外光谱选择非制冷长红外波段，分辨率为640×480。但是为了同时实现红外和可见光成像，数据量巨大，产品无法达到开发初期任务要求的帧率。项目组通过优化DSP软件架构和算法，提高了软件运行效率。

在满足清晰度和帧率要求后，数据传输就成了一个大问题。如果同一条单行道承载双重交通流量，拥堵是不可避免的。负责该产品的设计师汪峰表示，要避免这种情况，应该在图像和视频压缩技术上做出努力。

经过多种尝试，项目组最终选择先插值后压缩，针对不同的工作模式采用不同的压缩算法，利用帧间相关性提高图像质量，最后将压缩后的数据下载到地面进行解压恢复。

海量数据的处理使得组件的选择变得困难。航天级设备可靠性高，但运行速度相对较低，不能满足任务要求。经过综合考虑，项目组选择了工业级高性能8核处理器来提高数据处理速度，并制定了《低等级元器件质量保证方案》，进行了总剂量抗辐照、热环境、机械环境、静电放电等专项测试，以保证产品的可靠性。