12月17日凌晨，嫦娥五號圓滿完成我國首次地外天體采樣返回任務(wù)，返回器攜帶珍貴的月壤樣品，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸。消息傳來，中國航天科技集團(tuán)八院許多徹夜未眠的科技人員歡呼雀躍。“為保證任務(wù)順利完成，我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，最后一項(xiàng)都沒有用到，這就是最好的結(jié)果！”一位科技人員高興地說。
“輕裝上陣”背后的智能太空服
北京時間12月17日凌晨1時許，北京航天飛行控制中心通過地面測控站，向嫦娥五號軌道器和返回器組合體注入高精度導(dǎo)航參數(shù)。此后，軌道器與返回器在距南大西洋海平面高約5000公里處，正常解鎖分離，軌道器按計(jì)劃完成規(guī)避機(jī)動。
嫦娥五號軌道器由中國航天科技集團(tuán)八院研制，共配備了39臺發(fā)動機(jī)，分布在艙體的各個位置。在整個任務(wù)階段，軌道器共歷經(jīng)19個飛行階段、8種飛行姿態(tài)及5種不同的構(gòu)型。
在整個任務(wù)飛行過程中，軌道器成功經(jīng)受了太陽、月球和空間的高低溫交替考驗(yàn)。溫度最低時，達(dá)到零下二百多攝氏度，最高時達(dá)到了1300多攝氏度。軌道器熱控系統(tǒng)由八院509所研制。
據(jù)509所熱控團(tuán)隊(duì)主任設(shè)計(jì)師趙吉喆介紹，為了讓軌道器既能節(jié)約能源“輕裝上陣”，又能應(yīng)對“時冷時熱”的嚴(yán)酷考驗(yàn)，熱控團(tuán)隊(duì)給軌道器穿上了“智能太空服”，開創(chuàng)性采用了一體輕量化熱設(shè)計(jì)理念、錯峰補(bǔ)償控溫策略和二次熱防護(hù)復(fù)合系統(tǒng)。
為了控制設(shè)備重量，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，新研制了微結(jié)構(gòu)熱管，不僅質(zhì)量更輕，而且傳熱能力增加達(dá)130%。團(tuán)隊(duì)還把原本厚度統(tǒng)一的多層隔熱組件，改變?yōu)椤傲矿w裁衣”，讓每臺設(shè)備穿上厚薄不同的“太空服”。
同時，將散熱涂層厚度減小了30%，設(shè)計(jì)了更輕、更薄的柔性散熱面，通過采用一體化熱設(shè)計(jì)理念，大大降低了熱控設(shè)計(jì)的重量。
通過大量的仿真試驗(yàn)，熱控團(tuán)隊(duì)探索出一套“錯峰補(bǔ)償”的控溫策略。通過對在軌衛(wèi)星海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘，推斷出熱控涂層等材料參數(shù)的空間影響因素和性能變化規(guī)律，建立準(zhǔn)確的溫度場在軌預(yù)測模型。
摸準(zhǔn)了每臺設(shè)備在軌溫度特性后，團(tuán)隊(duì)“對癥下藥”。針對每臺設(shè)備提出熱控系統(tǒng)自主管理模式，實(shí)現(xiàn)熱控系統(tǒng)在近月制動、交會對接等關(guān)鍵階段的用電高峰期時，加熱功耗為零的目標(biāo)，確保了嫦娥五號有充足的能源完成關(guān)鍵任務(wù)。
專家們表示，這些熱控的新技術(shù)、新理念，不僅成功為嫦娥五號保駕護(hù)航，今后還可望應(yīng)用于遙感、深空探測等更多領(lǐng)域。
“月軌取件”背后的35項(xiàng)故障預(yù)案
在嫦娥五號任務(wù)中，軌道器成功完成了地月往返運(yùn)輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉(zhuǎn)移等重要任務(wù)。如果將軌道器比喻為一位首次在月球軌道上成功取件的“太空快遞小哥”，這位“小哥”功成名就的背后，是八院研制團(tuán)隊(duì)長達(dá)十年的辛勤付出。為了保證“小哥”在月球軌道上成功取件，研制團(tuán)隊(duì)為它制定了35項(xiàng)故障預(yù)案。
據(jù)嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，為了實(shí)現(xiàn)軌道器與上升器“抓得住，抱得緊，轉(zhuǎn)得穩(wěn)”的既定目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)曾廣泛調(diào)研了國內(nèi)外對接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。共開展了4種對接方案設(shè)計(jì)和9種轉(zhuǎn)移方案設(shè)計(jì)，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種，通過多輪方案比較及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，最終確定采用“抱爪式對接機(jī)構(gòu)”，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化。這種設(shè)計(jì)理念世界首創(chuàng)，對接精度達(dá)到毫米級。
據(jù)嫦娥五號對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)副主任師劉仲介紹，對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)分為主動件和被動件兩個單機(jī)。主動件包含3套抱爪機(jī)構(gòu)和2個轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，每套抱爪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)均為獨(dú)立驅(qū)動，均含有獨(dú)立的抱爪驅(qū)動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移驅(qū)動機(jī)構(gòu)。3套抱爪機(jī)構(gòu)同步工作完成對接任務(wù)，2套轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)同步工作完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)。通過周密計(jì)算，技術(shù)指標(biāo)一步步分解到單機(jī)下屬的各個部組件。
12月6日，軌道器與上升器在環(huán)月軌道上交會對接，按計(jì)劃在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲，10秒校正，10秒鎖緊，分秒不差，此后順利完成樣品轉(zhuǎn)移交接。“為保證任務(wù)順利完成，我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，結(jié)果一項(xiàng)都沒有用上，這就是最好的結(jié)果！”劉仲高興地說。
成功背后的661次對接和518次樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)
“天上一分鐘、地上十年功”。通過嫦娥五號發(fā)回的視頻，人們看到軌道器與上升器成功對接后，管狀的月壤樣品容器自動從上升器轉(zhuǎn)移到軌道器。這一過程看似簡單，實(shí)則也很復(fù)雜。
據(jù)嫦娥五號探測器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹，順利完成樣品轉(zhuǎn)移交接，不僅需要對接機(jī)構(gòu)高精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)移工作運(yùn)動平穩(wěn)、連續(xù)、互不干擾、互相配合，更難的是如何在地面進(jìn)行月球軌道的技術(shù)驗(yàn)證？
為了在地面上開展驗(yàn)證試驗(yàn)，八院805所研制團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了整機(jī)特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗(yàn)臺四大測試系統(tǒng)，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉(zhuǎn)移過程的萬無一失。
高度自主的對接與樣品轉(zhuǎn)移、微重力、弱撞擊等復(fù)雜的對接初始條件，每一項(xiàng)可靠性驗(yàn)證工作，都匯集了一次次地面試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與無數(shù)次試驗(yàn)的重復(fù)。團(tuán)隊(duì)成員一次次在試驗(yàn)中故意加入小故障，讓對接機(jī)構(gòu)自動判別，進(jìn)行故障排除，他們累計(jì)共開展了661次對接和518次樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)。
從2009年至2020年，八院805所整整開展了十年的月球軌道交會對接與自動樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)攻關(guān)和工程研制。突破了輕小型弱撞擊式對接技術(shù)、復(fù)雜接口自動樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)、對接與轉(zhuǎn)移一體化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)；解決了輕量化設(shè)計(jì)、集成性高、對接精度高的輕小型對接技術(shù)，及在多重約束條件下實(shí)現(xiàn)大行程物品自動轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵技術(shù)難題，為我國探月三期任務(wù)實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時填補(bǔ)了我國在輕小型對接機(jī)構(gòu)工程化研究領(lǐng)域的空白。
專家們認(rèn)為，對接與在軌自動轉(zhuǎn)移功能一體化設(shè)計(jì)，能夠更好的適應(yīng)深空無人探測和樣品采集、轉(zhuǎn)移等任務(wù)類型的需求，為我國后續(xù)大型衛(wèi)星近地軌道補(bǔ)給維護(hù)任務(wù)，以及其他深空探測任務(wù)等項(xiàng)目奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義。(記者張建松)