嫦娥带着月球“土特产”回家，“太空邮差”是如何研制的？

随着嫦娥五号返回器圆满完成月球“挖土”、带着月球“土特产”顺利回家，我国探月工程“绕落回”三步走圆满收官。

12月17日凌晨，探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。

国家航天局专家表示，嫦娥五号探测器在一次任务中，连续实现我国航天史上首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接、带样返回等多个重大突破，为我国探月工程“绕、落、回”三步走发展规划画上了圆满句号。同时，嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，成功实现了多方面技术创新、突破了一系列关键技术，对于我国提升航天技术水平、完善探月工程体系、开展月球科学研究、组织后续月球及星际探测任务，具有承前启后、里程碑式的重要意义。

“太空邮差”

嫦娥五号探测器由4个部分组成，其中，轨道器作为贯穿任务全过程的核心产品，是名副其实的“太空邮差”。

“嫦娥五号”着陆器与上升器组合体成功采样之后，携带月壤的上升器是无法利用自身的动力返回地球的。必须通过“太空物流”的形式将货物安全带回。因此，采用类似“天宫”“神舟”这样的交会对接方式是最好的“搭乘”办法。

按照计划，在月球轨道，由上升器和轨道器完成首次月球轨道交会对接，并将月球土壤样品“包裹”转移至返回器内。轨道器就像在月球轨道环绕的“邮差”，完成“打包”和“装箱”后，迅速进入月地转移轨道执行隔空投送，将月壤样品捎回蓝色星球。

轨道器由中国航天科技集团八院（下称“八院”）研制，根据任务要求，嫦娥五号轨道器需在自身干重1吨多情况下，头顶3.7吨的着陆上升组合体，肚装3吨推进剂和300多公斤的返回器，并在飞行过程中依次分离着陆上升组合体、对接与样品转移机构和返回器，是我国首个具有大承载，分离面多特点月球探测飞行器。

捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外的飞行器上实现却远远没有那么简单。与载人航天使用的近地轨道异体同构周边式对接机构相比，月球探测对探测器的质量和空间要求更为严苛，重量要减小到周边式对接机构的十五分之一左右，同时还要具备样品容器捕获和自动转移功能，要求精度更高，过程更稳。

“作为世界首次月球轨道无人交会对接，可以说对此次任务成败起决定性作用”，嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说，单从交会对接与样品转移任务来看，可靠性是要求最高的，因为整个过程只能一次成功，没有第二次机会。为了保证它的可靠性，对接与样品转移机构做了多重冗余，仅仅对接验证试验，地面就模拟了数千次，确保万无一失。同时，月球轨道相对地球轨道有时延，时间走廊较小，对时效性要求非常高。环月轨道的交会对接任务需要在21秒内完成，1秒捕获，10秒校正，10秒锁紧。样品转移任务接口多，环节多，过程复杂。

从2009年至2020年，八院805所开展了月球轨道交会对接与自动样品转移技术的攻关和工程研制，突破轻小型弱撞击式对接技术、复杂接口自动样品转移技术、对接与转移一体化技术等关键技术，解决了轻量化设计、集成性高、对接精度高的轻小型对接技术及在多重约束条件下实现大行程物品自动转移的转移技术等关键技术难题，为探月三期任务的实施奠定技术基础，同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白。对接与在轨自动转移功能一体化设计能够更好的适应深空无人探测和样品采集、转移等任务类型的需求，为我国后续大型卫星近地轨道补给维护任务和其他深空探测任务等项目奠定技术基础，具有重要的战略意义。

做了35项故障预案

探月工程三期任务最引人瞩目的当属首次在38万公里之外的月球轨道上进行交会对接，将装有月壤的样品容器从上升器转移至返回器中。为了确保“抓得住，抱得紧，转得稳”的既定目标，精准可靠控制抓捕机构和转移机构是关键。

为了完成技术攻关，轨道器副总师胡震宇与对接与样品转移分系统时任主任设计师郑云青和年轻的团队成员调研国内外对接机构设计，开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计，上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种，通过多轮方案比较及关键技术攻关，最终确定了现在的抱爪式对接方案和连杆棘爪转移方案。

而对接与样品转移机构研制团队成立之初仅有3名航天老兵，2012年，为了验证原理样机的对接功能，团队成员提出吊挂式对接试验，在几个月的时间内完成了设备的装配和调试，满足了对接试验的需求。两年半的初样阶段，对接与样品转移机构团队迭代设计了3套图纸，相继出炉了电性件、热控件、电测件、结构件、能力件、鉴定件6套产品。

对接与样品转移分系统副主任师刘仲说道：“我们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，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程的万无一失。团队甚至在试验中故意加入小故障，让对接机构自动判别，进行故障排除，确保整个过程一气呵成、稳妥可靠。”

在飞控归来时，刘仲说：“为保证任务顺利完成，我们做了35项故障预案，12月6号那天一项都没有用上，这就是最好的结果” 。