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      嫦娥五號翩然落月蘊藏的智慧
      2020-12-02 11:13
      來源: 科技日報

        2020年12月1日,嫦娥五號探測器的著陸上升組合體歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落階段,成功完成在月面預定區域的軟著陸。

        這輕盈、穩健的一落,蘊藏著無數航天人的智慧和心血。

        邊飛邊找落點

        對于嫦娥五號來說,落月只有一次機會,必須一次成功。

        相比嫦娥三號、四號,嫦娥五號對于著陸點的位置精度和平整度要求是空前的。由于涉及采樣完成后上升器要在月面起飛,嫦娥五號挑選落點的過程,也是為后續上升器月面起飛選擇“發射場”的過程,其降落區域內不能有太高的凸起、太深的凹坑,坡度也需要符合任務要求。

        簡單說,它是一邊飛行一邊尋找落點,如同一次從600公里外開始、在15分鐘內完成的自主“跳傘”。

        為了實現“選址正確、落得準確”,嫦娥五號采用了已經在嫦娥三號和四號上成功應用的“粗精接力避障”方式。這種方式,是在由中國航天科技集團五院502所研制的制導導航與控制(GNC)系統指揮下,著陸上升組合體先大推力反向制動減速,然后快速調整姿態,對預定落區地形進行拍照識別,避開大的障礙,實現“粗避障”,之后再斜向落向選定的著陸點,飛到著陸點正上方后改為垂直下降,在接近月面時關閉發動機,落在月球上。

        探查落月路徑的眼睛

        GNC系統在進行決策時,離不開各種數據支持。由五院西安分院研制的微波測距測速敏感器,如同一雙明亮的眼睛,感知著嫦娥五號的落月路徑,并向決策“大腦”傳遞信息。

        據西安分院微波測距測速敏感器主任設計師張愛軍介紹,這部雷達在著陸上升組合體距離月球表面約15公里時開機,在距離月面6公里時正式開始工作。

        “該雷達可以探測著陸器與月球表面的距離,以及著陸器下降的速度,并向上升器的制導導航與控制系統提供速度和距離的信息,以便著陸器判斷降落的落點和速度。”張愛軍說。

        落月發動機有絕招

        發動機為嫦娥五號安全落月提供了動力保障。不過,靠普通宇航發動機,是無法完成月面安全軟著陸任務的。

        記者從航天科技集團六院了解到,月球是真空狀態,沒有大氣,意味著不能利用空氣摩擦實現減速。為完成探測器動力下降、懸停等著陸階段動作,要求發動機具備推力深度調節能力。

        2006年,六院正式啟動7500牛變推力發動機關鍵技術攻關。經過艱苦探索,研制團隊先后突破“高性能、長壽命推力室”“流量精確調節與穩定”和“發動機系統優化與集成”3大關鍵技術,發動機技術指標基本滿足探測器要求,為后續研制任務奠定了堅實基礎。

        在7500牛變推力發動機鼎力支撐下,2013年12月,嫦娥三號探測器完成了我國首次地外天體軟著陸;2019年1月,嫦娥四號探測器實現人類首次月背軟著陸。這次,它又護送嫦娥五號著陸上升組合體平穩落在月球。

        “剎車指令員”責任重大

        嫦娥五號落月最后階段的發動機關機,需要有精準的指令。中國航天科工集團研制的γ關機敏感器,就是落月過程中的“剎車指令員”,責任重大。

        落月過程開始后,置于嫦娥五號底部的γ關機敏感器便實時測量著探測器與月面的距離。當嫦娥五號落到距月面不足5米高度時,該設備發出關機指令,關閉軌控和姿控發動機。這一瞬間,決定著落月任務的成敗。隨著發動機反推力的撤離,嫦娥五號得以翩然落月。

        據介紹,γ射線具備受外部環境干擾小、精度高等特點,因而被應用于對精度、可靠性要求最高的載人航天和探月任務中。此前,航天科工研制的γ高度控制裝置已經在神舟飛船任務中成功應用,護送航天員安全返回。

        嫦娥五號的“腿”不一般

        離開了發動機的反推,嫦娥五號是以自由落體形式著陸的。雖然月球引力較小,降落高度也不高,但撞擊月面時仍會形成一定沖擊載荷。

        這就需要著陸緩沖系統發揮作用,吸收著陸時的沖擊載荷,同時保證探測器不翻倒、不陷落。

        著陸緩沖機構,通俗地說就是嫦娥五號的“腿”,是落月環節的技術難題之一。嫦娥五號的4條“腿”可不一般,它們集緩沖、支撐功能于一體,繼承了嫦娥三號、四號的完美基因,由五院機構分系統團隊精心設計。

        記者了解到,該機構采用具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我壓緊”式方案,保證了收攏簡單、展開可靠,能解決著陸緩沖、著陸穩定性等多方面問題。

        與嫦娥三號的著陸緩沖設計方案相比,嫦娥五號任務由于難度增加,著陸緩沖能力要求提高了30%,但機構重量指標卻減少了5%。五院總體設計部研制團隊最終解決了這個難題。

        你不知道的精妙設計

        嫦娥五號落月過程中,還有一些鮮為人知的精妙設計。

        從表面看,是著陸器“托著”上升器降落到月面,實際上,著陸器上GNC系統的工作,卻借助了上升器上的中央控制計算機和星敏感器。

        中央控制計算機是上升器在月面起飛時要用的“最強大腦”,星敏感器則能讓上升器通過“看星星”來確定自己的姿態。

        這樣的“合作”,是設計人員結合“上升器全程陪同著陸器”的實際想出的妙招,既節約了成本,又減輕了重量。

        此外,當著陸器接近月面時,發動機激起的月塵容易讓星敏感器“迷眼”,從而影響后續上升器起飛。研制團隊專門設計了一個蓋子,可以在落月最后階段把星敏感器的鏡頭蓋起來,他們稱之為“天黑請閉眼”。待落月之后月塵散去,再讓星敏感器“睜眼”。

       

        地月通信的橋梁

        遠在38萬公里外經歷生死考驗的嫦娥五號,一舉一動都令國人牽掛。好在通過各種天線和數據傳輸手段,地面可以跟嫦娥五號保持聯系,隨時了解它的動態,向它發送指令。

        在上升器上,裝有西安分院研制的測控天線,如同嫦娥五號隨身攜帶的手機,是它與地面之間測控通信的主要依靠。而著陸器拍攝的落月照片,則由該院研制的數傳系統實時傳回,為地面決策提供依據。

        相比地面上的手機,地月通信距離遠了幾萬倍,數據發送需要采用特殊的對地定向天線。由五院總體設計部設計的定向天線采用雙軸驅動機構,就像人的肩、肘關節,能讓反射面天線輻射器靈活轉動,始終對準地面。為了滿足任務要求,反射面天線的設計輕量化到極致,相比同類天線減重了40%以上。(記者 付毅飛)

      [責任編輯:編輯部]

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