38萬公里之外的“太空牽手”

嫦娥五號實現我國首次月球軌道交會對接

12月6日，經歷了6天的孤獨繞月之旅，嫦娥五號的軌道器作為此次探月任務的短駁車，終於等來了它的“乘客”——上升器，並相擁在一起。

當天凌晨5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，並於6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。

這是我國首次實現月球軌道交會對接，也是距離地球38萬公里的首次“太空牽手”。中青報·中青網記者採訪相關航天專家，揭秘“牽手”背後的“黑科技”。

21秒一氣呵成的背後，是地面上千次測試

熟悉航天的人，對“交會對接”並不陌生，我國載人航天任務此前多次向公眾呈現過這一形式。然而，嫦娥五號所採用的具體對接方式，卻與之前大不相同。

中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花説，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，方便航天員在其中穿行；相應地，月球探測對探測器的質量和空間有嚴苛限制，嫦娥五號的對接機構必須做到小而精，其重量要減小到周邊式對接機構的十五分之一，同時，還要具備樣品容器捕獲、自動轉移功能，重量更輕、精度更高、過程更穩。

張玉花告訴記者，設計團隊在嫦娥五號上採用了抱爪式對接機構，這種機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點，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，這些設計理念都是世界首創。

“所謂‘抱爪’，形象地説，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。”嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇説。

據他介紹，嫦娥五號探測器採用的對接機構，由3套K形抱爪構成，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。

而軌道器和上升器對接完成後，還要進行一個重要動作，就是將上升器上裝有月球“‘土’特產”的樣品容器轉移到返回器中。

胡震宇説，連桿棘爪式轉移機構，採用了一個非常巧妙的設計，設計團隊利用兩套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，可以讓容器逐漸移動到返回器中。這個構型很像人們經常使用的紮帶，相連後就只能單方向傳遞，只能前進不能後退。

捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，要在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現，卻遠遠沒有那麼簡單。

對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲説，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——對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此，設計團隊作了35項故障預案，從啓動開始到交會對接，全部採用自動控制。

據他介紹，設計團隊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，通過不斷地測試、優化，確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失。

“我們團隊甚至在試驗時故意加入一些小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，確保整個過程一氣呵成、穩妥可靠。”劉仲説。

百公里外“牽線搭橋”，難度更大

完美“牽手”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”。

據中國航天科工集團二院25所交會對接微波雷達總工程師孫武介紹，在此前的載人航天工程任務中，中國航天器在近地軌道已進行過多次交會對接。但在距離38萬公里之外的月球軌道實施“牽手”，還是第一次，因此難度更大。

“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的唯一手段；月軌環境更復雜，要克服月球引力影響，自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。”孫武説。

他告訴記者，當軌道器、上升器相距約100公里時，微波雷達開始工作，不斷為導航控制分系統提供兩航天器之間的相對運動參數，並進行雙向空空通信，兩部航天器根據雷達提供信號調整飛行姿態，直至軌道器上的對接機構捕獲、鎖定上升器。隨後，上升器中的月壤樣品和容器轉移。

“因為嫦娥五號的軌道器和上升器交會對接，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。這樣一來，需要微波雷達的測角精度更高。”孫武説。

微波雷達項目主任設計師賀中琴説，設計團隊採用了創新的誤差補償算法，進一步提高了微波雷達的測角精度，大幅提升了精準對接的勝算。

“我們為這次交會對接打造的不僅是‘千里眼’，還是‘順風耳’，升級後的它更小巧、更強大、更可靠。”孫武説。

據他介紹，微波雷達在保證交會對接測量“本職工作”的同時，還升級了航天器之間雙向空空通信的“第二職業”。從雷達與應答機之間“一問一答”的傳輸方式，升級至軌道器與上升器之間的“溝通對話”，實現了遙控指令和遙測參數的雙向傳輸。

“以前就像老師上課點名，雷達發消息，應答機答到。而現在它們不僅自己要通話，還要負責上升器和軌道器之間的信息傳遞。”賀中琴説。

太空拍照“神器”完美記錄“擁抱”全過程

從“太空之吻”變成“月軌牽手”，由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，定格了發生在38萬公里之外高速運行的兩器“相擁”瞬間。

八院控制所光學導航專家鄭循江説，此次嫦娥五號所搭載的雙譜段監視相機是一款專業拍照“神器”，其主業就是記錄軌道器與上升器的交會對接過程，以及軌道器與着陸器和上升器組合體分離、與支撐艙分離的過程。

據他介紹，與以往任務相機不同的是，這款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的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。

鄭循江打了一個比方：這就相當於給普通相機加了一個夜視儀，即使交會對接過程發生在月背，接受不到太陽光照，地面人員也可以通過紅外相機記錄下全過程；當然，在有光照的情況下，如果光照太強，可見光相機拍攝的照片也存在過曝的可能，影響觀看效果。有了這款雙譜段相機，則可確保全天時、全光照條件下記錄交會對接過程，也可以讓公眾從紅外鏡頭的視角看看太空。

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。該設備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，將壓縮後的數據下傳至地面解壓恢復。“不僅有效控制了研製成本，也給‘寸土寸金’的軌道器留出了更多運輸有效載荷的空間，我們探索了一條引民用技術為航天產品所用的技術途徑，同時也為時下熱門的商業航天和傳統航天產品降本增效提供了思路。”王峯説。

12月6日12時35分，在“太空牽手”大片傳回幾個小時之後，嫦娥五號再次迎來進展：其軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進入環月等待階段，準備擇機返回地球。

接下來，嫦娥五號探測器就要攜帶月球“土特產”，重新投入地球的懷抱了。