2020年12月1日,嫦娥五號(hào)探測器的著陸上升組合體歷經(jīng)主動(dòng)減速、快速調(diào)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(yù)定區(qū)域的軟著陸。
這輕盈、穩(wěn)健的一落,蘊(yùn)藏著無數(shù)航天人的智慧和心血。
邊飛邊找落點(diǎn)
對于嫦娥五號(hào)來說,落月只有一次機(jī)會(huì),必須一次成功。
相比嫦娥三號(hào)、四號(hào),嫦娥五號(hào)對于著陸點(diǎn)的位置精度和平整度要求是空前的。由于涉及采樣完成后上升器要在月面起飛,嫦娥五號(hào)挑選落點(diǎn)的過程,也是為后續(xù)上升器月面起飛選擇“發(fā)射場”的過程,其降落區(qū)域內(nèi)不能有太高的凸起、太深的凹坑,坡度也需要符合任務(wù)要求。
簡單說,它是一邊飛行一邊尋找落點(diǎn),如同一次從600公里外開始、在15分鐘內(nèi)完成的自主“跳傘”。
為了實(shí)現(xiàn)“選址正確、落得準(zhǔn)確”,嫦娥五號(hào)采用了已經(jīng)在嫦娥三號(hào)和四號(hào)上成功應(yīng)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(tuán)五院502所研制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)指揮下,著陸上升組合體先大推力反向制動(dòng)減速,然后快速調(diào)整姿態(tài),對預(yù)定落區(qū)地形進(jìn)行拍照識(shí)別,避開大的障礙,實(shí)現(xiàn)“粗避障”,之后再斜向落向選定的著陸點(diǎn),飛到著陸點(diǎn)正上方后改為垂直下降,在接近月面時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),落在月球上。
探查落月路徑的眼睛
GNC系統(tǒng)在進(jìn)行決策時(shí),離不開各種數(shù)據(jù)支持。由五院西安分院研制的微波測距測速敏感器,如同一雙明亮的眼睛,感知著嫦娥五號(hào)的落月路徑,并向決策“大腦”傳遞信息。
據(jù)西安分院微波測距測速敏感器主任設(shè)計(jì)師張愛軍介紹,這部雷達(dá)在著陸上升組合體距離月球表面約15公里時(shí)開機(jī),在距離月面6公里時(shí)正式開始工作。
“該雷達(dá)可以探測著陸器與月球表面的距離,以及著陸器下降的速度,并向上升器的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)提供速度和距離的信息,以便著陸器判斷降落的落點(diǎn)和速度?!睆垚圮娬f。
落月發(fā)動(dòng)機(jī)有絕招
發(fā)動(dòng)機(jī)為嫦娥五號(hào)安全落月提供了動(dòng)力保障。不過,靠普通宇航發(fā)動(dòng)機(jī),是無法完成月面安全軟著陸任務(wù)的。
記者從航天科技集團(tuán)六院了解到,月球是真空狀態(tài),沒有大氣,意味著不能利用空氣摩擦實(shí)現(xiàn)減速。為完成探測器動(dòng)力下降、懸停等著陸階段動(dòng)作,要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備推力深度調(diào)節(jié)能力。
2006年,六院正式啟動(dòng)7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過艱苦探索,研制團(tuán)隊(duì)先后突破“高性能、長壽命推力室”“流量精確調(diào)節(jié)與穩(wěn)定”和“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化與集成”3大關(guān)鍵技術(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)基本滿足探測器要求,為后續(xù)研制任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)鼎力支撐下,2013年12月,嫦娥三號(hào)探測器完成了我國首次地外天體軟著陸;2019年1月,嫦娥四號(hào)探測器實(shí)現(xiàn)人類首次月背軟著陸。這次,它又護(hù)送嫦娥五號(hào)著陸上升組合體平穩(wěn)落在月球。
“剎車指令員”責(zé)任重大
嫦娥五號(hào)落月最后階段的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī),需要有精準(zhǔn)的指令。中國航天科工集團(tuán)研制的γ關(guān)機(jī)敏感器,就是落月過程中的“剎車指令員”,責(zé)任重大。
落月過程開始后,置于嫦娥五號(hào)底部的γ關(guān)機(jī)敏感器便實(shí)時(shí)測量著探測器與月面的距離。當(dāng)嫦娥五號(hào)落到距月面不足5米高度時(shí),該設(shè)備發(fā)出關(guān)機(jī)指令,關(guān)閉軌控和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。這一瞬間,決定著落月任務(wù)的成敗。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)反推力的撤離,嫦娥五號(hào)得以翩然落月。
據(jù)介紹,γ射線具備受外部環(huán)境干擾小、精度高等特點(diǎn),因而被應(yīng)用于對精度、可靠性要求最高的載人航天和探月任務(wù)中。此前,航天科工研制的γ高度控制裝置已經(jīng)在神舟飛船任務(wù)中成功應(yīng)用,護(hù)送航天員安全返回。
嫦娥五號(hào)的“腿”不一般
離開了發(fā)動(dòng)機(jī)的反推,嫦娥五號(hào)是以自由落體形式著陸的。雖然月球引力較小,降落高度也不高,但撞擊月面時(shí)仍會(huì)形成一定沖擊載荷。
這就需要著陸緩沖系統(tǒng)發(fā)揮作用,吸收著陸時(shí)的沖擊載荷,同時(shí)保證探測器不翻倒、不陷落。
著陸緩沖機(jī)構(gòu),通俗地說就是嫦娥五號(hào)的“腿”,是落月環(huán)節(jié)的技術(shù)難題之一。嫦娥五號(hào)的4條“腿”可不一般,它們集緩沖、支撐功能于一體,繼承了嫦娥三號(hào)、四號(hào)的完美基因,由五院機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)。
記者了解到,該機(jī)構(gòu)采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案,保證了收攏簡單、展開可靠,能解決著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面問題。
與嫦娥三號(hào)的著陸緩沖設(shè)計(jì)方案相比,嫦娥五號(hào)任務(wù)由于難度增加,著陸緩沖能力要求提高了30%,但機(jī)構(gòu)重量指標(biāo)卻減少了5%。五院總體設(shè)計(jì)部研制團(tuán)隊(duì)最終解決了這個(gè)難題。
你不知道的精妙設(shè)計(jì)
嫦娥五號(hào)落月過程中,還有一些鮮為人知的精妙設(shè)計(jì)。
從表面看,是著陸器“托著”上升器降落到月面,實(shí)際上,著陸器上GNC系統(tǒng)的工作,卻借助了上升器上的中央控制計(jì)算機(jī)和星敏感器。
中央控制計(jì)算機(jī)是上升器在月面起飛時(shí)要用的“最強(qiáng)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(tài)。
這樣的“合作”,是設(shè)計(jì)人員結(jié)合“上升器全程陪同著陸器”的實(shí)際想出的妙招,既節(jié)約了成本,又減輕了重量。
此外,當(dāng)著陸器接近月面時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)激起的月塵容易讓星敏感器“迷眼”,從而影響后續(xù)上升器起飛。研制團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了一個(gè)蓋子,可以在落月最后階段把星敏感器的鏡頭蓋起來,他們稱之為“天黑請閉眼”。待落月之后月塵散去,再讓星敏感器“睜眼”。
地月通信的橋梁
遠(yuǎn)在38萬公里外經(jīng)歷生死考驗(yàn)的嫦娥五號(hào),一舉一動(dòng)都令國人牽掛。好在通過各種天線和數(shù)據(jù)傳輸手段,地面可以跟嫦娥五號(hào)保持聯(lián)系,隨時(shí)了解它的動(dòng)態(tài),向它發(fā)送指令。
在上升器上,裝有西安分院研制的測控天線,如同嫦娥五號(hào)隨身攜帶的手機(jī),是它與地面之間測控通信的主要依靠。而著陸器拍攝的落月照片,則由該院研制的數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回,為地面決策提供依據(jù)。
相比地面上的手機(jī),地月通信距離遠(yuǎn)了幾萬倍,數(shù)據(jù)發(fā)送需要采用特殊的對地定向天線。由五院總體設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的定向天線采用雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),就像人的肩、肘關(guān)節(jié),能讓反射面天線輻射器靈活轉(zhuǎn)動(dòng),始終對準(zhǔn)地面。為了滿足任務(wù)要求,反射面天線的設(shè)計(jì)輕量化到極致,相比同類天線減重了40%以上。(科技日報(bào)記者 付毅飛)
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