嫦娥五號翩然落月藴藏的智慧

本報記者 付毅飛

2020年12月1日，嫦娥五號探測器的着陸上升組合體歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落階段，成功完成在月面預定區域的軟着陸。

這輕盈、穩健的一落，藴藏着無數航天人的智慧和心血。

邊飛邊找落點

對於嫦娥五號來説，落月只有一次機會，必須一次成功。

相比嫦娥三號、四號，嫦娥五號對於着陸點的位置精度和平整度要求是空前的。由於涉及採樣完成後上升器要在月面起飛，嫦娥五號挑選落點的過程，也是為後續上升器月面起飛選擇“發射場”的過程，其降落區域內不能有太高的凸起、太深的凹坑，坡度也需要符合任務要求。

簡單説，它是一邊飛行一邊尋找落點，如同一次從600公里外開始、在15分鐘內完成的自主“跳傘”。

為了實現“選址正確、落得準確”，嫦娥五號採用了已經在嫦娥三號和四號上成功應用的“粗精接力避障”方式。這種方式，是在由中國航天科技集團五院502所研製的制導導航與控制（GNC）系統指揮下，着陸上升組合體先大推力反向制動減速，然後快速調整姿態，對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現“粗避障”，之後再斜向落向選定的着陸點，飛到着陸點正上方後改為垂直下降，在接近月面時關閉發動機，落在月球上。

探查落月路徑的眼睛

GNC系統在進行決策時，離不開各種數據支持。由五院西安分院研製的微波測距測速敏感器，如同一雙明亮的眼睛，感知着嫦娥五號的落月路徑，並向決策“大腦”傳遞信息。

據西安分院微波測距測速敏感器主任設計師張愛軍介紹，這部雷達在着陸上升組合體距離月球表面約15公里時開機，在距離月面6公里時正式開始工作。

“該雷達可以探測着陸器與月球表面的距離，以及着陸器下降的速度，並向上升器的制導導航與控制系統提供速度和距離的信息，以便着陸器判斷降落的落點和速度。”張愛軍説。

落月發動機有絕招

發動機為嫦娥五號安全落月提供了動力保障。不過，靠普通宇航發動機，是無法完成月面安全軟着陸任務的。

記者從航天科技集團六院瞭解到，月球是真空狀態，沒有大氣，意味着不能利用空氣摩擦實現減速。為完成探測器動力下降、懸停等着陸階段動作，要求發動機具備推力深度調節能力。

2006年，六院正式啓動7500牛變推力發動機關鍵技術攻關。經過艱苦探索，研製團隊先後突破“高性能、長壽命推力室”“流量精確調節與穩定”和“發動機系統優化與集成”3大關鍵技術，發動機技術指標基本滿足探測器要求，為後續研製任務奠定了堅實基礎。

在7500牛變推力發動機鼎力支撐下，2013年12月，嫦娥三號探測器完成了我國首次地外天體軟着陸；2019年1月，嫦娥四號探測器實現人類首次月背軟着陸。這次，它又護送嫦娥五號着陸上升組合體平穩落在月球。

“剎車指令員”責任重大

嫦娥五號落月最後階段的發動機關機，需要有精準的指令。中國航天科工集團研製的γ關機敏感器，就是落月過程中的“剎車指令員”，責任重大。

落月過程開始後，置於嫦娥五號底部的γ關機敏感器便即時測量着探測器與月面的距離。當嫦娥五號落到距月面不足5米高度時，該設備發出關機指令，關閉軌控和姿控發動機。這一瞬間，決定着落月任務的成敗。隨着發動機反推力的撤離，嫦娥五號得以翩然落月。

據介紹，γ射線具備受外部環境干擾小、精度高等特點，因而被應用於對精度、可靠性要求最高的載人航天和探月任務中。此前，航天科工研製的γ高度控制裝置已經在神舟飛船任務中成功應用，護送航天員安全返回。

嫦娥五號的“腿”不一般

離開了發動機的反推，嫦娥五號是以自由落體形式着陸的。雖然月球引力較小，降落高度也不高，但撞擊月面時仍會形成一定衝擊載荷。

這就需要着陸緩衝系統發揮作用，吸收着陸時的衝擊載荷，同時保證探測器不翻倒、不陷落。

着陸緩衝機構，通俗地説就是嫦娥五號的“腿”，是落月環節的技術難題之一。嫦娥五號的4條“腿”可不一般，它們集緩衝、支撐功能於一體，繼承了嫦娥三號、四號的完美基因，由五院機構分系統團隊精心設計。

記者瞭解到，該機構採用具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，能解決着陸緩衝、着陸穩定性等多方面問題。

與嫦娥三號的着陸緩衝設計方案相比，嫦娥五號任務由於難度增加，着陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。五院總體設計部研製團隊最終解決了這個難題。

你不知道的精妙設計

嫦娥五號落月過程中，還有一些鮮為人知的精妙設計。

從表面看，是着陸器“託着”上升器降落到月面，實際上，着陸器上GNC系統的工作，卻藉助了上升器上的中央控制計算機和星敏感器。

中央控制計算機是上升器在月面起飛時要用的“最強大腦”，星敏感器則能讓上升器通過“看星星”來確定自己的姿態。

這樣的“合作”，是設計人員結合“上升器全程陪同着陸器”的實際想出的妙招，既節約了成本，又減輕了重量。

此外，當着陸器接近月面時，發動機激起的月塵容易讓星敏感器“迷眼”，從而影響後續上升器起飛。研製團隊專門設計了一個蓋子，可以在落月最後階段把星敏感器的鏡頭蓋起來，他們稱之為“天黑請閉眼”。待落月之後月塵散去，再讓星敏感器“睜眼”。

地月通信的橋樑

遠在38萬公里外經歷生死考驗的嫦娥五號，一舉一動都令國人牽掛。好在通過各種天線和數據傳輸手段，地面可以跟嫦娥五號保持聯繫，隨時瞭解它的動態，向它發送指令。

在上升器上，裝有西安分院研製的測控天線，如同嫦娥五號隨身攜帶的手機，是它與地面之間測控通信的主要依靠。而着陸器拍攝的落月照片，則由該院研製的數傳系統即時傳回，為地面決策提供依據。

相比地面上的手機，地月通信距離遠了幾萬倍，數據發送需要採用特殊的對地定向天線。由五院總體設計部設計的定向天線採用雙軸驅動機構，就像人的肩、肘關節，能讓反射面天線輻射器靈活轉動，始終對準地面。為了滿足任務要求，反射面天線的設計輕量化到極致，相比同類天線減重了40%以上。