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嫦娥五号翩然落月蕴藏的智慧

来源:科技日报2020-12-02 09:32

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  2020年12月1日,嫦娥五号探测器的着陆上升组合体历经主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落阶段,成功完成在月面预定区域的软着陆。

  这轻盈、稳健的一落,蕴藏着无数航天人的智慧和心血。

  边飞边找落点

  对于嫦娥五号来说,落月只有一次机会,必须一次成功。

  相比嫦娥三号、四号,嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度要求是空前的。由于涉及采样完成后上升器要在月面起飞,嫦娥五号挑选落点的过程,也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程,其降落区域内不能有太高的凸起、太深的凹坑,坡度也需要符合任务要求。

  简单说,它是一边飞行一边寻找落点,如同一次从600公里外开始、在15分钟内完成的自主“跳伞”。

  为了实现“选址正确、落得准确”,嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上成功应用的“粗精接力避障”方式。这种方式,是在由中国航天科技集团五院502所研制的制导导航与控制(GNC)系统指挥下,着陆上升组合体先大推力反向制动减速,然后快速调整姿态,对预定落区地形进行拍照识别,避开大的障碍,实现“粗避障”,之后再斜向落向选定的着陆点,飞到着陆点正上方后改为垂直下降,在接近月面时关闭发动机,落在月球上。

  探查落月路径的眼睛

  GNC系统在进行决策时,离不开各种数据支持。由五院西安分院研制的微波测距测速敏感器,如同一双明亮的眼睛,感知着嫦娥五号的落月路径,并向决策“大脑”传递信息。

  据西安分院微波测距测速敏感器主任设计师张爱军介绍,这部雷达在着陆上升组合体距离月球表面约15公里时开机,在距离月面6公里时正式开始工作。

  “该雷达可以探测着陆器与月球表面的距离,以及着陆器下降的速度,并向上升器的制导导航与控制系统提供速度和距离的信息,以便着陆器判断降落的落点和速度。”张爱军说。

  落月发动机有绝招

  发动机为嫦娥五号安全落月提供了动力保障。不过,靠普通宇航发动机,是无法完成月面安全软着陆任务的。

  记者从航天科技集团六院了解到,月球是真空状态,没有大气,意味着不能利用空气摩擦实现减速。为完成探测器动力下降、悬停等着陆阶段动作,要求发动机具备推力深度调节能力。

  2006年,六院正式启动7500牛变推力发动机关键技术攻关。经过艰苦探索,研制团队先后突破“高性能、长寿命推力室”“流量精确调节与稳定”和“发动机系统优化与集成”3大关键技术,发动机技术指标基本满足探测器要求,为后续研制任务奠定了坚实基础。

  在7500牛变推力发动机鼎力支撑下,2013年12月,嫦娥三号探测器完成了我国首次地外天体软着陆;2019年1月,嫦娥四号探测器实现人类首次月背软着陆。这次,它又护送嫦娥五号着陆上升组合体平稳落在月球。

  “刹车指令员”责任重大

  嫦娥五号落月最后阶段的发动机关机,需要有精准的指令。中国航天科工集团研制的γ关机敏感器,就是落月过程中的“刹车指令员”,责任重大。

  落月过程开始后,置于嫦娥五号底部的γ关机敏感器便实时测量着探测器与月面的距离。当嫦娥五号落到距月面不足5米高度时,该设备发出关机指令,关闭轨控和姿控发动机。这一瞬间,决定着落月任务的成败。随着发动机反推力的撤离,嫦娥五号得以翩然落月。

  据介绍,γ射线具备受外部环境干扰小、精度高等特点,因而被应用于对精度、可靠性要求最高的载人航天和探月任务中。此前,航天科工研制的γ高度控制装置已经在神舟飞船任务中成功应用,护送航天员安全返回。

  嫦娥五号的“腿”不一般

  离开了发动机的反推,嫦娥五号是以自由落体形式着陆的。虽然月球引力较小,降落高度也不高,但撞击月面时仍会形成一定冲击载荷。

  这就需要着陆缓冲系统发挥作用,吸收着陆时的冲击载荷,同时保证探测器不翻倒、不陷落。

  着陆缓冲机构,通俗地说就是嫦娥五号的“腿”,是落月环节的技术难题之一。嫦娥五号的4条“腿”可不一般,它们集缓冲、支撑功能于一体,继承了嫦娥三号、四号的完美基因,由五院机构分系统团队精心设计。

  记者了解到,该机构采用具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案,保证了收拢简单、展开可靠,能解决着陆缓冲、着陆稳定性等多方面问题。

  与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比,嫦娥五号任务由于难度增加,着陆缓冲能力要求提高了30%,但机构重量指标却减少了5%。五院总体设计部研制团队最终解决了这个难题。

  你不知道的精妙设计

  嫦娥五号落月过程中,还有一些鲜为人知的精妙设计。

  从表面看,是着陆器“托着”上升器降落到月面,实际上,着陆器上GNC系统的工作,却借助了上升器上的中央控制计算机和星敏感器。

  中央控制计算机是上升器在月面起飞时要用的“最强大脑”,星敏感器则能让上升器通过“看星星”来确定自己的姿态。

  这样的“合作”,是设计人员结合“上升器全程陪同着陆器”的实际想出的妙招,既节约了成本,又减轻了重量。

  此外,当着陆器接近月面时,发动机激起的月尘容易让星敏感器“迷眼”,从而影响后续上升器起飞。研制团队专门设计了一个盖子,可以在落月最后阶段把星敏感器的镜头盖起来,他们称之为“天黑请闭眼”。待落月之后月尘散去,再让星敏感器“睁眼”。

  地月通信的桥梁

  远在38万公里外经历生死考验的嫦娥五号,一举一动都令国人牵挂。好在通过各种天线和数据传输手段,地面可以跟嫦娥五号保持联系,随时了解它的动态,向它发送指令。

  在上升器上,装有西安分院研制的测控天线,如同嫦娥五号随身携带的手机,是它与地面之间测控通信的主要依靠。而着陆器拍摄的落月照片,则由该院研制的数传系统实时传回,为地面决策提供依据。

  相比地面上的手机,地月通信距离远了几万倍,数据发送需要采用特殊的对地定向天线。由五院总体设计部设计的定向天线采用双轴驱动机构,就像人的肩、肘关节,能让反射面天线辐射器灵活转动,始终对准地面。为了满足任务要求,反射面天线的设计轻量化到极致,相比同类天线减重了40%以上。(记者 付毅飞)

[ 责编:武玥彤 ]
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