嫦娥五號告訴你如何在38萬公里外“深情擁抱”
2月6日清晨，嫦娥五號上升器與軌道返回組合體在月球軌道上，實現了我國首次月球軌道自動無人交會對接與樣品轉移。
看點1
對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此研製團隊做了35項故障預案，從啓動開始到交會對接，全部採用自動控制。
對接機構設計理念世界首創
嫦娥五號採用的對接方式，與我國載人航天任務交會對接有很大區別。
載人航天使用的對接機構學名叫異體同構周邊式對接機構，在對接後可形成一個80釐米左右的通道，方便航天員穿行。而月球探測對探測器的質量和空間有嚴苛限制。嫦娥五號對接機構必須小而精，重量要減小到周邊式對接機構的1/15，同時還要具備樣品容器捕獲、自動轉移功能。
據中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，研製團隊在嫦娥五號上採用了抱爪式對接機構，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化。這些設計理念是世界首創。
嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇介紹，這套對接機構由3套K形抱爪構成。“所謂抱爪，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”他説，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接。
捕獲、收攏、轉移，過程看似簡單，要在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現，卻並不那麼容易。
“月球軌道相對於地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。”對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲説，對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此研製團隊做了35項故障預案，從啓動開始到交會對接，全部採用自動控制。
他們還構建了整機特性測試台、性能測試台、綜合測試台、熱真空試驗枱四大測試系統，先後進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試。劉仲説，科研人員甚至故意在試驗中加入小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，以確保自動對接與樣品轉移過程萬無一失。
看點2
微波雷達測角精度的提高，使對接雙方在距離20米時，上升器對接機構抱爪的鎖定圓面，從之前的半徑5釐米縮小到半徑3釐米。這2釐米之差，大幅提升了精準對接的勝算。
雷達從百公里外牽線搭橋
實現完美對接之前，先要讓軌道器和上升器靠近對方。中國航天科工集團二院25所（以下簡稱25所）研製的嫦娥五號交會對接微波雷達，作為中遠距離測量的唯一手段，為此次交會對接牽線搭橋。
記者從25所瞭解到，該雷達是一組成對產品，由雷達主機和應答機組成，分別安裝在嫦娥五號軌道器和上升器上。當兩器相距約100公里時，該雷達開始工作，不斷為導航控制分系統提供兩器之間的相對運動參數，並進行雙向通信。兩器根據雷達提供的信號調整飛行姿態，直至對接機構捕獲、鎖定。
據交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，在我國載人航天工程任務中，航天器在近地軌道進行過多次交會對接，都應用了25所微波雷達。不同的是，這次交會對接是在38萬公里之外的月球軌道，難度更大。與近地軌道相比，月球軌道沒有衞星導航等服務資源，微波通信是中遠距離測量的唯一手段。同時月軌環境更復雜，要克服月球引力影響，因此自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。
為此，25所攻克了大寬角度測量等關鍵技術。
此次交會對接是體量相差巨大的“大追小”複雜受力過程，採用了抱爪式的弱撞擊對接機構，這要求微波雷達的測角精度更高。“我們採用了創新的誤差補償算法，將微波雷達的測角精度從0.15°提高到了0.1°。” 微波雷達項目主任設計師賀中琴介紹説，精度的提高，使對接雙方在距離20米時，上升器對接機構抱爪的鎖定圓面，從之前的半徑5釐米縮小到半徑3釐米。這2釐米之差，大幅提升了精準對接的勝算。
另外，上升器在落月時難免形成揚塵，有可能對對接用應答機造成干擾，降低測角精度。為此，設計師在應答機上安裝了用特殊材料製作的防塵罩，如同給千里眼戴上了護目鏡，規避了這一隱患。
看點3
利用2套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，使得上升器上裝有月壤的樣品容器逐漸移動到返回器上。轉移機構運作過程中，各個位置的精度誤差均不超過5微米。
樣品轉移拒絕“卡殼”
軌道器和上升器對接完成後，還要將上升器上裝有月壤的樣品容器轉移到返回器上。
胡震宇介紹，該步驟所用連桿棘爪式轉移機構，採用了非常巧妙的設計。其利用2套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器。
為了實現樣品順利轉移，中國航天科技集團八院149廠對接與樣品轉移機構總裝團隊付出了艱辛勞動。
據該廠副總經理陸海濱介紹，對接機構中對接環的運動位置精度和對中性，是影響月球樣品轉移成敗的關鍵因素之一。對接樣品轉移機構是一種弱剛性結構，體積小、結構複雜，但功能一樣不少，這對在裝配中的測量數量、精度等要求更高。
在轉移過程中，對接機構與樣品轉移分系統形成了一個封閉式的微型隧道，受到了產品特性的6個自由度限位限制。研製期間，團隊主操作手吳駿和顧京海發現，系統的運作在理論和實踐中存在偏差。由於6個自由度的限制，讓本來就屬於弱剛性的結構很容易因外界壓力而產生細微形變，從而無法滿足5微米的橫向精度要求。
“限制產品的6個自由度，本是為了確保樣品在轉移過程中的結構約束。然而在試驗中，反而出現了‘卡殼’現象。”吳駿説。
他們對傳送的運動軌跡和路徑進行了仔細分析，提出了將限位減少到左右和旋轉2個自由度的方案。於是，他們將原本是圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”，經過不斷修改完善，最終使得轉移機構運作過程中能夠不走偏並流暢地完成每一個指令和動作，各個位置的精度誤差均不超過5微米。
看點4
嫦娥五號搭載的雙譜段監視相機集紅外和可見光成像於一體，可根據遙控指令要求在6種拍攝模式中自由切換。
完美記錄“擁抱”全過程
這次發生在38萬公里外的交會對接過程，被中國航天科技集團八院控制所研製的紅外及可見光雙譜段監視相機記錄了下來，完美呈現給千千萬萬關注着“嫦娥”的人們。
與以往任務中使用的監視相機不同，嫦娥五號搭載的雙譜段監視相機集紅外和可見光成像於一體，紅外和可見光傳感器經各自光學鏡頭獲取圖像數據，根據遙控指令要求在6種拍攝模式中自由切換，實現紅外和可見光分別或同時成像。
控制所光學導航專家鄭循江介紹，該相機相當於給普通相機加上了夜視儀，即使交會對接過程發生在月背，接受不到太陽光照，也可以通過紅外相機記錄下來。在有光照的情況下，如果光照太強，可見光相機拍攝的照片可能出現過曝的情況。而這款雙譜段相機可以確保全天時、全光照條件下記錄交會對接過程。
為了給觀眾呈現高清畫質，該相機可見光譜段分辨率達到2048×2048；紅外譜段選用非製冷長紅外波段，分辨率為640×480。但要在此基礎上實現紅外和可見光同時成像，數據量巨大，研製初期產品始終無法達到任務要求的幀頻。項目團隊通過優化DSP軟件架構和算法，提升了軟件運行效率。
滿足清晰度和幀頻要求後，數據傳輸又成了大問題。如同一條單行道要承載雙倍的車流，擁堵在所難免。該產品主管設計師王峯表示，要避免這種情況，就要從圖像、視頻壓縮技術上下功夫。
項目團隊經過多種嘗試，最終選擇了先插值再壓縮的方式，對不同工作模式採取不同的壓縮算法，利用幀間相關性，提高圖像質量，最後將壓縮後的數據下傳至地面解壓恢復。
海量數據的處理，讓元器件選用也頗費周章。宇航級器件可靠性高，但運行速度相對較低，無法滿足任務需求。項目團隊經綜合考量，選用了工業級高性能8核處理器來提升數據處理速度，同時制定《低等級元器件質保方案》，開展了抗總劑量輻照、熱環境、力學環境、靜電放電等專項試驗，以確保產品的可靠性。