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「中国经济周刊」飞天揽月!嫦娥五号奔月取壤,实现中国航天史上五个“首次”

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11月24日,嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场成功发射。 
  嫦娥五號正在执行的是我国探月工程第六次任务,计划实现月面自动采样返回,助力深化月球成因和演化历史等科学研究。 
  根据日、地、月的运动关系,以及工程各种约束条件,嫦娥五号任务的总周期是22至23天,各环节环环相扣。 
  从嫦娥五号发射入轨到返回器再入回收,一共要经历11个飞行阶段:发射入轨阶段、地月转移阶段、近月制动阶段、环月飞行阶段、着陆下降阶段、月面工作阶段、月面上升阶段、交会对接与样品转移阶段、环月等待阶段、月地转移阶段和再入回收阶段。 
  截至12月10日,嫦娥五号圆满完成第8个阶段的任务,正式踏上回家之旅。 
  嫦娥五号远赴月球打包“土特产”的难点是什么?如何挖土和打包?怎么带回来?带着这些问题,《中国经济周刊》记者分别采访了中国航天科技集团有限公司五院(以下简称“五院”)和中国航天科技集团有限公司八院(以下简称“八院”)的相关负责人。 
  在月球挖土有多难? 
  作为中国探月工程“绕、落、回”三步走中的收官之战,嫦娥五号将实现中国航天史上五个“首次”:首次地外天体的采样与封装,首次地外天体的起飞,首次月球轨道交会对接,首次携带样品高速再入地球,首次样品的存储、分析和研究。 
  11月30日,嫦娥五号任务飞行控制团队按计划实施嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体分离。凌晨4时40分,在科技人员精确控制下,嫦娥五号探测器组合体顺利分离。 
  12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区,并传回着陆影像图。 
  成功着陆后,着陆器在地面控制下,进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作,采集月球样品,这个过程被网友称为“挖土”。 
  作为嫦娥五号探测任务的核心关键之一,月球表面自动采样封装是任务中最引人注目的一个环节。 
  嫦娥五号本次任务是,采集约2千克月球样本并带回地球,这是1975年以来人类首次开展此类月球探测采样活动。 
  为了完成此项任务,五院的设计师们采用表钻结合、多点采样的方式,精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。 
  记者从五院总体设计部获悉,嫦娥五号随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”,将科学分工,精密配合,采取深钻、浅钻、铲土、挖土、夹土等各种方式,采集约2千克月壤并进行密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将月球样品送回地球。 
  首次月面采样面临多重困难。 
  记者了解到,首先采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束;其次,采样期间面临月面高温的工作环境,同时采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。此外,着陆器着陆后不能移动,钻取采样装置正下方的地面到底是松软的土壤,还是坚硬的岩石,都具有不确定性,也都影响着采样计划的顺利完成。 
  为确保首次月面采样任务顺利完成,五院研制团队多措并举,不仅对月面采样过程进行了联合设计分析,确定了先钻后表、器地协同的工作程序,以及器上操作、地面测控和地面物理验证三位一体的飞控模式,而且还设计了遥控工作、预编程工作和半自主工作3种工作模式,确保采样过程的可靠性。此外,各单机还开展了相应的环境试验和专项试验,子系统开展了钻取、表取和密封封装专项试验,验证了单机及子系统的功能性能。 
  通过几百次试验,数十种工况模拟,多次“三位一体”模式的采样封装演练,研制团队想方设法,全力以赴,确保了我国首次月面自动采样任务顺利完成。 
  月壤打包完成! 人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移 
  据国家航天局消息,经过约19小时的月面工作, 嫦娥五号于12月2日22时,顺利完成月面自动采样,按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。 
  12月3日23 时10 分,嫦娥五号上升器 3000N发动机工作约6分钟,成功将携带样品的上升器送入到近月点环月轨道。 
  月面上升阶段完成后,嫦娥五号需要先实现人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移,它将利用轨道器上的对接与样品转移机构,将采集的月球土壤从上升器转运到返回舱中。 
  据八院相关人士介绍,虽同样名为“交会对接”,但嫦娥五号采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天采用的对接方式却有很大的区别。 
  与近地轨道的任务不同,月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制,嫦娥五号的“抱爪式”对接机构必须做到小而精,其重量要减小到“周边式”对接机构的十五分之一。同时,它还要具备样品容器捕获、自动转移功能,重量更轻、精度更高、过程更稳。 
  “所谓的抱爪,其实形象地说,就像我们手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的紧密连接。 
  “抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此,我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。”八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。 
  捕获、收拢、转移,看似简单的过程,但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却远远没有那么简单。

“月球轨道相对于地球轨道有时延,时间走廊较小,这就对时效性要求非常高,必须一气呵成完成对接与转移任务。”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲解释,“对接全步骤要在21秒内完成,1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为此我们做了35项故障预案,从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。” 
  据介绍,嫦娥五号“对接与样品转移机构”属于一个分系统,该分系统包括轨道器“对接与样品转移机构(主动件)”,和上升器“对接与样品转移机构(被动件)”。 
  上升器从月球表面起飞后,进入交会对接阶段。分系统负责完成轨道器与上升器之间的对接与保持,并负责完成样品容器在轨自动转移,为样品返回做准备。 
  影响月球土壤“打包”成败的关键因素是对接机构中对接环的运动位置精度和对中性。 
  据八院149厂(以下简称“149”厂)特级技师王曙群介绍,此次对接样品转移机构体积小、结构复杂,但功能却一样都没少,对装配中的测量数量、精度等要求更高。 
  “在通常情况下,我们装配的时候会限制产品在6个方面的自由度,确保月壤在转移过程中的结构稳定,但是试验中,却发生了产品转移‘卡壳’的现象。” 149厂技师吴骏说。 
  随后,团队对整个系统的传送运动轨迹和路径进行了仔细分析,提出将限位减少到两个自由度,即左右和旋转的自由度。 
  同时,将原本圆孔的限位装置改为“方孔+扁平轴”,在确保产品装配精度要求的情况下,使转移机构在运作的过程中不走偏,并且流畅地完成每一个指令和动作。 
  通过实践证实,这个方法大大提高了转移机构的运动位置精度,使各个位置的精度误差均不大于5微米。 
  按照计划,交会对接与样品转移阶段完成后,嫦娥五号带着2千克月球土将进入环月等待阶段,踏上回归之路。 
  明星团队再出手,90后成主操作手 
  据介绍,嫦娥五号“对接与样品转移机构”属于一个分系统,该分系统包括轨道器“对接与样品转移机构(主动件)”,和上升器“对接与样品转移机构(被动件)”。 
  上升器从月球表面起飞后,进入交会对接阶段。分系统负责完成轨道器与上升器之间的对接与保持,并负责完成样品容器在轨自动转移,为样品返回做准备。 
  此次负责嫦娥五号对接任务的团队,可谓是明星团队。 
  11月24日,在2020年全国劳动模范和先进工作者表彰大会上,149厂特级技师王曙群被中宣部、全国总工会授予2020年“最美职工”,成为今年上海唯一的当选者。 
  据了解,王曙群及其团队潜心16年攻克技术难关,保障“太空之吻”顺利完成,即神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器实现中国载人航天工程首次空间交会对接试验,被称为“大国工匠”。 
  在本次嫦娥五号任务中,王曙群起用团队中的骨干力量,以“特级技师+青年技能人员”合力参与总装研制的方法,实现团队“人才复制”。 
  此次,作为团队主操作手的吴骏,自2011年初参加工作后,就一直在團队中成长,如今已是新生代“90后”技师的佼佼者。 
  据149厂副总经理陆海滨介绍,要想从一名普通的总装人员成长为型号研制的主操作手,先后需要经历零部件装配、单机装配、部套装配(分三级)、产品总装等6个过程。一般需要5年、8年,甚至是10年。


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