嫦娥五號(hào)翩然落月蘊(yùn)藏的智慧
本報(bào)記者 付毅飛
2020年12月1日，嫦娥五號(hào)探測(cè)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(duì)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(duì)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(chǎng)”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(jiǎn)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(guó)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(duì)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(cè)距測(cè)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(cè)距測(cè)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(cè)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。”張愛軍說。
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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)器完成了我國(guó)首次地外天體軟著陸；2019年1月，嫦娥四號(hào)探測(cè)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(guó)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(cè)量著探測(cè)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(duì)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(cè)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(jiǎn)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(qǐng)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(guó)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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。