跨越38萬公里的“太空牽手”，嫦娥五號是如何做到的？
記者從國家航天局獲悉，北京時間12月6日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。
從上升器進入環月飛行軌道開始，通過遠程導引和近程自主控制，軌道器和返回器組合體逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕獲上升器，完成交會對接。
後續，嫦娥五號軌道器和返回器組合體將與上升器分離，擇機返回地球。
↑軌道器與上升器完成交會對接（國家航天局供圖）
月球軌道的浪漫牽手
交會對接在我國航天領域已經是一項比較成熟的技術，此前的載人航天工程任務中，我國航天器在近地軌道已進行過多次交會對接，五戰五捷的表現足以證明，我國已經成功掌握交會對接技術。但不同的是，這次是在距離38萬公里之外的月球軌道，技術難度更大。
在交會對接過程中，地面人員只能“觀棋不語”不能參與其中，因為月球軌道的交會對接精度要求是釐米級，而目前地面對38萬公里外的測控精度是公里級，加之相較於神舟飛船的交會對接，月球軌道每圈有1/3的時間位於不可測弧段，所以，人工導引至此結束，後續的交會和對接過程將由制導導航與控制（GNC）系統智能自主完成，這一過程稱之為近程自主控制段，這對GNC系統的自主管理、自主診斷、自主重構等方面提出了極高的智能和可靠性要求。
在近程自主控制段，GNC系統會實時調整自己的軌道和姿態，在微博雷達、激光雷達和交會對接相機的接力保障下，軌返組合體一步步追上上升器，直到可以牽手的距離，之後雙方保持相同速度飛行。
和我國現已掌握的地球軌道交會對接採用的小星追大星，用弱撞擊的方式實現對接不同，嫦娥五號軌返組合體追上升器屬於大星追小星，如果用撞擊的方式對接會把上升器撞飛，所以，嫦娥五號採用的停控加抓取的方式，就是在軌道器追上上升器並以相同速度飛行過程中，從後面 “伸手”牽過上升器之後拉緊，實現對接。
地球軌道上的交會對接如果不成功可以撤回來重來，嫦娥五號的月球軌道交會對接受制於月地返回窗口、熱控、能源等約束，嫦娥五號月球軌道交會對接必須規定時間內完成，若時間太長，則星上能源、熱控將無法支撐；若一次不成功，撤回，重新組織，則地月關係發生變化，將有很大風險錯過月地返回窗口，因此從保安全的角度可以説月球軌道交會對接任務是不可逆的，必須在規定時間內一次完成。
↑軌道器逐漸接近上升器（國家航天局供圖）
為交會對接打造千里眼、順風耳
成功引導嫦娥五號實現首次月球軌道無人交會對接的關鍵技術之一是由中國航天科工集團有限公司研製的微波雷達，它是探測器在月球軌道中遠距離測量的唯一手段。
月球軌道微波雷達由雷達主機和應答機組成，分別安裝在嫦娥五號探測器的軌道器和上升器上。當軌道器、上升器相距約100km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。
“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，所以自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。”航天科工二院25所交會對接微波雷達總工程師孫武介紹。
裝有對接用應答機的上升器在落月時難免形成揚塵，這些肉眼不可見的月塵干擾將會嚴重降低測角精度。據青年設計師紀博介紹，“為確保安全度過月球之旅，應答機上安裝了特殊材料的防塵罩，“就像給’千里眼’戴上了‘護目鏡’，‘嫦娥’的這雙‘千里眼’，就不會變成‘近視眼’，甚至‘全盲’了。”
科研人員為這次交會對接打造的不僅是“千里眼”，還有“順風耳”。 微波雷達在保證交會對接測量“本職工作”的同時，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。這就好比老師上課點名，以前是雷達發消息，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。
↑北京飛控中心指揮大廳 （國家航天局供圖）
“抱爪”機構讓對接更精準
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公分左右的通道，方便航天員在其中穿行。而與近地軌道的任務不同，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。
“抱爪機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。因此，我們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，這些設計理念都是世界首創。”中國航天科技集團有限公司八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹説。
“所謂的抱爪，其實形象地説，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介紹。探測器採用的對接機構就是由3套K形抱爪構成的，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壤的樣品容器轉移到返回器中。
“連桿棘爪式轉移機構，採用了一個非常巧妙的設計。”胡震宇介紹，“我們利用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中。這個構形很像我們經常使用的紮帶，相連後就只能單方向傳遞，只能前進不能後退。”（經濟日報記者姜天驕）
【來源：經濟日報】
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