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上海造“太空邮差”将把月壤运回地球 用实力诠释上海担当

发布时间:2020-11-25 06:33:50 来源:上观 作者:刘锟
作为我国探月工程三期的收官之战,昨天飞奔月球的嫦娥五号将实现我国首次月球无人采样返回的壮举。上海航天技

上海造“太空邮差”将把月壤运回地球 用实力诠释上海担当

作为我国探月工程三期的收官之战,昨天飞奔月球的嫦娥五号将实现我国首次月球无人采样返回的壮举。

嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统,由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个器组成,包含15个分系统。而出自上海航天技术研究院的轨道器,是此次探月之旅中名副其实的“太空邮差”。它将在相距38万公里的地球和月球之间,构建起一条太空“物流”特殊通道,既承担地月往返运输任务;又要在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱”,将月壤投送回地球。

上海航天将再次用实力诠释上海担当。上海牌“太空邮差”将如何完成使命?又是如何练就独门绝技的?

系统最复杂

技术上呈现“三多”特点

在嫦娥五号“挖土”返回的20多天征途中,轨道器的使命将贯穿全程。发射升空后,这位“太空邮差”第一项任务是“运输”。

作为一个自主飞行器,它负责携带着陆器、上升器和返回器,完成地月转移、中途修正和近月制动。进入环月轨道后,轨道器与着陆器上升器的组合体分离,携带返回器留在轨道上等候上升器到来,完成“取件”。

上海航天技术研究院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷解释说,着陆器与上升器组合体抵达月球,完成月壤样品的采集后,上升器携带样品从月面起飞,与等候在月球轨道的轨道器自主交会对接,将携带的样品容器转移至返回器。与对接舱、上升器分离后,轨道器将携带返回器进入月地转移轨道;在距离地球5000公里处与返回器分离,将返回器投送回地球。

“在嫦娥五号整个任务中,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。”查学雷说。

轨道器在技术上呈现“三多”特点:

一是飞行阶段多。轨道器参与运载发射、地月转移、近月制动、环月运行、月面下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收等探测器系统11个飞行阶段中的8个阶段,史无前例。

二是器间状态多。轨道器在飞行过程中有6种组合体状态,承担器间分离、交会对接与样品转移等关键任务,轨道器任务过程要经历多次变轨和姿态调整,轨道飞行、姿态控制难度大,机、电、热接口可靠性要求高。

三是分离次数多。这次轨道器涉及5次分离,包括与火箭分离、与着陆上升组合体分离、与支撑舱分离、与对接舱上升器组合体分离、与返回器分离,在轨分离次数多,分离环境复杂,系统设计难度极大。

最重要使命

38万公里外对接“取件”

轨道器的最重要使命之一是“取件”。

在距离地球38万公里外的月球轨道上,轨道器与上升器自动交会对接,将上升器里的样品转移到返回器。这也是人类航天器首次在月球轨道上进行自动交会对接,并进行样品转移的尝试。

上海航天技术研究院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说,嫦娥五号创新性采用“抱爪式对接机构”,具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。通过增加连杆棘爪式转移机构,实现对接与自动转移功能一体化。这些设计理念均为世界首创,对接精度可达毫米级。

所谓抱爪,就像手握棍子的动作,两个方向一用力,把棍子牢牢握在手中。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成,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,就可以实现两器紧密连接。

轨道器和上升器对接完成后,上升器上装有月壤的样品容器将转移到返回器中。连杆棘爪式转移机构,采用非常巧妙的设计,“我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得容器逐渐移动到返回器中。这个构型很像扎带,相连后单方向传递,只能前进不能后退。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇说。

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,上海航天人做了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。

创多项首次

实现“鸡蛋壳上挂秤砣”

太空中的嫦娥五号犹如变形金刚,“花式表演”背后是飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难等各种棘手问题。

上海航天人突破多项关键技术,将轨道器这个“太空邮差”打造成无敌小能手。

查学雷说,嫦娥五号任务全程,轨道器有5个分离面,既要保证组合状态下器与器连得稳固,又要确保分离过程安全可靠。轨道器摒弃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。这种连接方式,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。

受探测器整体重量约束,“太空邮差”在具备强大承载能力的同时,还得“身轻如燕”。

为做到身材比例完美,轨道器首次使用大承载复杂构型轻量化结构;首次创新使用多次分离复杂构型;首次使用多冗余路径复合传力结构;首次采用大承载复合材料一体成型插层变厚度承力球冠技术等七项创新技术,结构质量比达9.6%。仅46千克的承力球冠能承载3吨贮箱,具备30吨极限承载能力,真正做到“鸡蛋壳上挂秤砣”。

值得一提的是,由于发射任务调整,嫦娥五号推迟发射三年,在此期间,嫦娥五号经历5次加电自检,用沉甸甸的数据证明轨道器功能性能没有下降。

10年来,上海航天技术研究院研制团队先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试,确保在自动对接与样品转移过程中万无一失。

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