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月轨交会对接背后:对接测试661次、样品转移测试518次

日期:2020年12月06日 09:45 来源:澎湃新闻 作者:佚名

举世关注的“月轨相拥”成功上演。

12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球土壤样品容器安全转移至返回器中,完成了“回家”前的“月球土特产快递揽件”任务。

这是我国首次实现月球轨道交会对接。

作为探月三期的收官之战,嫦娥五号将刷新人类无人月球采样返回任务新纪录。而轨道器作为贯穿任务全过程的核心产品,是名副其实的“太空邮差”——它在相距38万公里的地球和月球之间,构建起一条太空“物流”的特殊通道,既承担地月往返运输的任务,将乘客安全地送往目的地,同时又在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱”,将珍贵的月壤样品投送回蓝色地球。

突破了多项连接分离关键技术

“在整个任务过程中,轨道器在轨共有5次分离、6种组合体状态,承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务,是目前最复杂的空间飞行器之一。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍,针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难以及运载与发射场新的“三多、两难、一新”特点,上海研制团队突破了多项关键技术。

鉴于嫦娥五号探测器由4个部分组合而成,多器分工合作的状态造就了探测器在太空中不断分离-组合-再分离-再组合的变形过程,这在我国航天器中绝无仅有。仅轨道器就拥有5个分离面,既要保证组合状态下器与器连得稳固,同时又要确保分离过程的安全可靠,这是探测器研制的难点之一。

据八院专家介绍,轨道器摒弃了传统的舱段间包带连接方式,创新采用多点高强度分离螺母进行连接,通过在各分离面配置不同数量的分离螺母,以满足舱段间连接强度与刚度要求。同时双作动分离螺母包含两套解锁机构,其中任意一套动作,就能确保分离面每一个分离点的可靠分离。连接稳固、分离可靠的连接解锁与分离关键技术,是保证“月轨相拥”成功的关键,也成就了嫦娥五号的从容飞天之旅。

38万公里太空实现毫米级对接精度

在38万公里外实施世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移,对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键,对接精度要求达到毫米级。

为了解决这一难题,中国航天科技集团八院研制团队创造性地研制出了抱爪式对接机构,配合采用棘爪式转移机构,在自动无人交会对接的同时,实现样品容器的自动转移,这一技术是世界首创,成就了嫦娥飞天采样返回中极为重要的一环。

“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透露,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,轨道器只要对准上升器连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的紧密连接和“拥抱”。

而轨道器和上升器交会对接完成后,还要同时进行一个重要动作,就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。至此,上升器才算完成自己的神圣使命。

“连杆棘爪式转移机构,采用了一个非常巧妙的设计。”胡震宇介绍,“我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得装有月壤的容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带,相连后就只能单方向传递,只能前进不能后退。这样做也确保了太空货品交接时不会‘掉棒’。”

月面上的着陆器与上升器组合体

交会对接全步骤在21秒内完成

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,即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。”

作为工程研制单位,八院805所从2011年就开始开展相关技术的攻关和工程研制,以突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术。

携带月壤容器的上升器打开发动机离开月球升空,前往月球轨道履行货品交接的神圣使命

在此基础上,研制团队还构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大世界一流的地面测试系统,先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试,充分验证对接与样品转移机构地面试验的有效性。

嫦娥五号对接与样品转移机构的研制成功,为探月三期任务的实施奠定了坚实技术基础,同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白,将为后续深空探测等任务提供有力支撑。


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