嫦娥五号成功发射!拉开我国探月工程“第三步”序幕

   日期:2020-11-24     来源:文汇    浏览:91    评论:0    
核心提示:这是我国探月工程的又一里程碑。11月24日凌晨4时30分,我国在文昌发射场用长征五号运载火箭,成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道

这是我国探月工程的又一里程碑。11月24日凌晨4时30分,我国在文昌发射场用长征五号运载火箭,成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。

嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个部分组成。据国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇:嫦娥五号任务有望创造的“中国首次”包括:一是地外天体的采样与封装,二是地外天体的起飞,三是月球轨道交会对接,四是携带约2公斤样品高速地球再入,五是样品的存储、分析和研究。

作为中国航天事业的一支重要力量,上海航天自然不会缺席这次探月新旅程,中国航天科技集团有限公司八院承担了长征五号助推器和嫦娥五号轨道器的研制任务。其中,4个助推器为长征五号提供90%的起飞推力。

有“太空邮差”之称的轨道器,将把珍贵的月壤投送回地球。具体流程为,发射升空后,嫦娥五号轨道器携带着陆器、上升器以及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,轨道器与着陆上升组合体分离,携带返回器留轨。之后,轨道器将与从月面起飞的上升器进行主动交会对接,完成人类首次月球轨道自动交会对接任务,并将上升器携带的样品容器转移至返回器;与对接舱、上升器组合体分离后,轨道器将携带返回器进入月地转移轨道,在距离地球5000千米处将返回器分离,并保证其再入初始条件。

“太空邮差”驰聘38万公里

嫦娥五号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走战略的收官之战,将刷新世界无人月球采样返回任务新纪录。其中,轨道器是贯穿任务全过程的核心产品,也是目前最复杂的空间飞行器之一。

中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍,在整个任务过程中,轨道器承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务。形象地说,在相距38万公里的地月之间,轨道器要构建一条“太空物流”的特殊通道,既承担地月往返运输的任务,将“乘客”安全送往目的地,又要在太空中稳妥完成“货品接收和装箱”,最终返回地球。

期间,轨道器在轨共有5次分离、6种组合体状态。在组合状态下要连得稳固,又得在分离时可靠安全,这是研制的难点之一。轨道器创新采用多点高强度分离螺母进行连接,通过在各分离面配置不同数量的分离螺母,来满足舱段间连接强度与刚度要求。同时双作动分离螺母包含两套解锁机构,其中任意一套动作就能确保分离面每个分离点的可靠分离。这一高可靠连接分离技术,成就了嫦娥五号的从容飞天之旅。

受探测器整体重量约束的影响,轨道器在具备强大的承载能力的同时,还得做到身轻如燕。七项创新技术使之结构质量比达到9.6%,实现效能最优。46千克的承力球冠能承载3吨贮箱,具备30吨的极限承载能力,真正做到“鸡蛋壳上挂秤砣”。另外,基于轨道器的分舱段设计,研制团队提出了分区域管理的分布式综合电子单机设计思想,借助区域划分和整体布局,满足各舱段的配电管理、热控管理、信息管理等各项需求。

21秒捕获“月宫之吻”

嫦娥五号进入环月轨道后,轨道器与“着陆上升组合体”分离,携带返回器留轨。之后,轨道器将与从月面起飞的上升器进行主动交会对接,完成人类首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移。

捕获、收拢、转移,在高速运行的飞行器上实现岂是一个难字了得。况且,月球轨道相对于地球轨道有时延,时间走廊较小,必须一气呵成完成对接与转移任务,更是难上加难。对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲表示,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,他和团队对关键技术进行攻关,包括突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移等,构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统,进行上千次实验,做好35项故障预案。从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。

对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键,对接精度要求达到毫米级。为了解决这一难题,研制团队创造性地研制出了抱爪式对接机构。中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花讲解道,该结构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。“因此,我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。”

嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇进一步阐述,所谓抱爪,就像双手握住棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。探测器采用的对接机构由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,两器随即紧密连接。

搭建地月信息的传输“鹊桥”

不论探测器飞到多远,都需要深空测控通信系统作为联络的纽带。中国航天科技集团八院电子所承担了轨道器中的测控数传(含天线)、工程图像与测量两个分系统,以及综合电子分系统中两台单机的研制任务。

工程图像与测量分系统肩负着探测器太阳翼天线展开、各次分离对接、月球采样样品容器转移等过程的监视任务,理论上至少需要13台摄像机才能满足任务需求。同时,为了对抗空间舱外恶劣环境及光照环境,必须采取合理有效的防护措施,如采用大遮光罩等,按传统的设计,镜头、电路板等机电热组合而成的一台摄像机,最轻的也要0.5千克左右。

研制团队从空间、时间双维度进行创新设计,最终确定了每个摄像机最小视场角和最优安装布局,保证单个摄像机至少可兼顾两个抱爪机构,且保证其中一个摄像机清晰监视月球样品容器转移全过程。最终该分系统总质量从原来的6.5千克减重到2.9千克,配套的摄像机降到4台。

电源是航天器在广袤太空中持续运行的重要支撑,嫦娥五号探测器所需能源超过了我国任何一项月球探测、深空探测任务。中国航天科技集团八院811所为轨道器、着陆器及上升器电源产品攻坚,让电源系统控制器集中了功率调节模块、配电模块、火工品控制模块、智能接口单元等几个功能,这在探月工程中为首次应用。

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