(原标题:这一吻,漂亮!)

记者从国家航天局获悉,12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。

【视频来了!#首次月球轨道交会对接画面#[V5]】6日5时42分 (来源:~)

专家介绍,从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程自主控制,轨道器返回器组合体逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕获上升器,完成交会对接。

后续,嫦娥五号轨道器返回器组合体将与上升器分离,择机返回地球。

12月6日,航天科技人员在北京航天飞行控制中心指挥大厅监测嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接情况。 记者从国家航天局获悉,12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。新华社记者 金立旺 摄

嫦娥五号完成样品在轨转移!快递派送中!

这是12月6日在北京航天飞行控制中心指挥大厅拍摄的嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接画面。 记者从国家航天局获悉,12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。新华社记者 金立旺 摄

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这是12月6日在北京航天飞行控制中心指挥大厅拍摄的嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接画面。 记者从国家航天局获悉,12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接,并于6时12分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。新华社记者 金立旺 摄

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对接测试661次、样品转移测试518次

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。

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嫦娥五号探测器 本文图片均由中国航天科技集团提供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。

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嫦娥五号轨道器和上升器月球轨道交会对接示意图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。

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嫦娥五号在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示意图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。

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嫦娥五号探测器在轨工作效果图“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’。”

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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。

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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。

2吨多小胖子如何“追上”小姑娘?嫦娥五号手把手教你秘籍

在环月轨道中运行的轨返组合体重达2.3吨左右,怎样顺利和体重仅有400公斤左右的上升器“牵手”成功?来看看嫦娥五号探测器的“专属秘籍”。

“最耐心的等待”

12月1日,嫦娥五号着上组合体与轨返组合体分离,顺利落月,开展“挖土”和封装工作。与此同时,轨返组合体则在环月轨道上继续飞行,安静、耐心地等待与装载月壤的上升器再次见面。重达2.3吨的“小胖子”——轨返组合体一边数着星星,一边算着与“小姑娘”上升器再次见面的日子,在2天时间内完成4次调相控制,在距离月表200X 200公里的圆形轨道上完成长跑。

“最亲近的沟通”

体重有800公斤左右的“小姑娘”——上升器在上升过程中成功“瘦身”到400公斤左右,以更苗条的身姿冲入15 X 180公里的环月椭圆轨道,通过与轨返组合体之间巧妙的沟通方式——远程导引,进行四次轨道控制,进入到210 X 210公里的环月圆轨道上,在预定的交班点停留在轨返组合体的前方50公里处。在进入到交班点后的4个小时,轨返组合体就开始用更加亲近的沟通方式——近程导引与上升器进行沟通,双方通过自己携带的敏感器,即微波雷达互换信息,轨返组合体开始主动向上升器靠近。

“最冷静的心态”

嫦娥五号轨返组合体为自己设置了4个停泊点,分别来观察自身与上升器的姿态和状态,是否一切是按照预期方案进行,50公里、5公里、1公里、100米,每一次停泊观察都是对最终靠近时间和地点的精确把握。越到最后,轨返组合体反而更加冷静,飞快进行精准计算和调整。

“最深厚的实力”

嫦娥五号轨返组合体能有如此能力,来源于中国航天科技集团五院研制团队对交会对接任务的功力积累。在中国的太空探索历程中,近地轨道交会对接技术正在快速地进步。

2012年6月,神舟九号与天宫一号对接成功,标志着中国首次载人交会对接任务的成功,2013年6月,神舟十号与天宫一号顺利进行了一次自动交会对接和一次航天员手控交会对接……这些都标志着中国近地轨道交会对接技术的成熟。

飞船是在近地轨道上完成与空间站的交会对接,通信距离相对较近,并且能够得到导航卫星的定位帮助,地面控制的精度更高。而此次嫦娥五号轨返组合体要在距离地球38万公里的环月轨道上追逐上升器,这就对控制系统提出了更高的要求。轨道返回组合体要能够适应更大的偏差,在没有任何干预的情况下全自主地做出向“心仪对象”靠近的各个决策,这不仅是国内首次,更是国际首次。

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轨道器与上升器完成交会对接。图片来源:国家航天局

从“太空之吻”到“月轨相拥”,嫦娥五号新对接方式世界首创

国际空间站里,主要依靠对接机构来实现更大吨位的飞行器的组装。载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构,在对接后可形成一个通道,方便航天员在其中穿行。与载人航天对接机构不同,嫦娥五号探测器采用了抱爪式对接机构方案,从“太空之吻”变成“月轨相拥”。

中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说,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,嫦娥五号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。

“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。

看似简单的过程,但要在38万公里之外高速运行的飞行器上实现,却远没有那么简单。“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说。他表示,对接全步骤要在21秒内完成,1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为此研制人员做了35项故障预案,从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。

首次跨越38万公里交会对接

微波雷达助嫦娥五号“太空牵手”

这次跨越38万公里的“太空牵手”,由中国航天科工集团有限公司研制的嫦娥五号交会对接微波雷达,作为探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段,成功引导嫦娥五号实现首次月球轨道无人交会对接。该对接技术是嫦娥五号任务中“四大关键技术”之一。

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嫦娥五号轨道交会对接微波雷达团队在产品出厂前进行状态检测。图片来源:中国航天科工集团

嫦娥五号交会对接微波雷达是一组成对产品,由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100千米时,微波雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两个航天器之间的相对运动参数,并进行双向空空通信。两航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后,上升器中的月壤样品和容器进行转移。

此外,装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会严重降低测角精度。为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩。“就像给‘千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’。”中国航天科工集团二院25所青年设计师纪博已经是第二次参与交会对接任务,说起自己的产品,她自豪与兴奋地打起了比方。

微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,还升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”。从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。

“我们为这次交会对接打造的,不仅是‘千里眼’,还是‘顺风耳’,升级后的它更小巧、更强大、更可靠。” 25所交会对接微波雷达总工程师孙武说。

38万公里外稳住“嫦娥”速度,全靠这支“惯测小分队”

在这次“太空牵手”中,由中国航天科工集团有限公司研制的高精度加速度计组合、石英挠性加速度计及I/F转换电路组成的“惯测小分队”,一路以稳定可靠的表现为“嫦娥五号”提供高精度加速度信息,为这次交会对接稳住速度。

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石英挠性加速度计生产现场 图片来源:中国航天科工集团

中国航天科工集团有关专家表示:“交会对接时的加速度,只有探测器升空过程中最大加速度的千万分之一量级,高精度加速度计组合能够实现微小加速度的精准测量。”换言之,有了这支“惯测小分队”的助力,这次38万公里外的 “太空牵手”才不会“擦肩而过”。

此次交会对接阶段,主要实施加速度测量的高精度加速度计组合是这支“惯测小分队”中的“队长”,这已经是它第三次陪伴“嫦娥”远赴月宫。为了能够给“嫦娥”提供高精度、高可靠的测量表现,组合采用了独特的冗余设计方案,任务可靠度可达0.999983,曾以完美的表现助力嫦娥三号、嫦娥四号任务圆满成功。

“惯测小分队”中的石英挠性加速度计和I/F转换电路是一组“金牌搭档”,在此次任务中,这对“金牌搭档”承包了嫦娥五号月宫之旅全程各关键阶段的加速度测量任务——不仅在高精度加速度计组合产品中应用,还在着陆上升组合体和返回器的IMU(惯性测量单元)中扮演关键角色。

在完成中国首次月球轨道交会对接、在轨样品转移后,下一步,嫦娥五号探测器携带月球“土特产”,重新投入地球的怀抱。

来源:微信公众号中国新闻网、新闻联播、中国的航天等

嫦娥五号月宫之吻

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