中国首次实现月球轨道交会对接

2020-12-07 09:29:39来源：北京青年报

我国首次实现月球轨道交会对接　　月壤样品成功“转移”嫦娥五号准备择机返回地球

北京青年报记者从国家航天局获悉，北京时间12月6日5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。其中，通过远程导引和近程自主控制，轨道器返回器组合体逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕获上升器，完成交会对接。

6日12时35分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体又与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。

揭秘

嫦娥五号如何完成完美“拥抱”

嫦娥五号采用

停控加抓取方式

距离地球38万公里外的太空中，体重达2.3吨的轨道器和返回器组合体，是怎样与体重仅有400公斤左右的上升器实现厘米级精度的交会对接、顺利转移样品容器的？实现这个过程的核心，就是由中国航天科技集团八院研制的对接与样品转移机构。

据八院相关技术负责人介绍，月球轨道的交会对接精度要求是厘米级，而目前地面对38万公里外的测控精度是公里级，加之相较于神舟飞船的交会对接，月球轨道每圈有1／3的时间位于不可测弧段，所以，轨返组合体与上升器交会、对接的过程只能由制导导航与控制（GNC）系统智能自主完成，这一过程称之为近程自主控制段，这对GNC系统的自主管理、自主诊断、自主重构等方面提出了极高的智能和可靠性要求。

与我国现已掌握的地球轨道交会对接采用小星追大星、用弱撞击的方式不同，嫦娥五号轨返组合体追上升器属于大星追小星，如果用撞击的方式对接会把上升器撞飞，所以，嫦娥五号采用的是停控加抓取的方式：GNC系统会实时调整自己的轨道和姿态，在微博雷达、激光雷达和交会对接相机的接力保障下，轨返组合体一步步追上上升器，直到可以“牵手”的距离；之后双方保持相同速度飞行的过程中，轨返组合体从后面 “伸手”牵过上升器之后拉紧，实现对接。

“抱爪”像“人手握棍子”

设计理念世界首创

“抱爪机构具有重量轻、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。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说。

“所谓的抱爪，形象地说，就像我们手握棍子的动作，两个方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”中国航天科技集团八院嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍，探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的，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，就可以实现两器的紧密连接。

捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却没有那么简单。

“月球轨道相对于地球轨道有时延，时间走廊较小，这就对时效性要求非常高，必须一气呵成完成对接与转移任务。”中国航天科技集团八院对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲解释道，“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，我们做了35项故障预案，从启动开始到交会对接，全部采用自动控制。”

交会对接微波雷达

可靠的“对接助手”

此次，由中国航天科工集团二院25所研制的嫦娥五号交会对接微波雷达，作为中远距离测量的“助手”，成功引导完成了嫦娥五号的交会对接任务。

微波雷达是一组成对产品，由雷达主机和应答机组成，分别安装在嫦娥五号的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100公里时，微波雷达开始工作，不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数，并进行双向通信，两航天器根据雷达信号调整飞行姿态，直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后，上升器中的月壤样品转移至返回器中。

交会对接微波雷达总工程师孙武介绍，此前的任务中，我国航天器在近地轨道进行过多次交会对接，都应用了该微波雷达，优异的表现证明，我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是，这次交会对接是在38万公里之外的月球轨道，难度更大。“与近地轨道相比，月球轨道环境更复杂，要克服月球引力影响，所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。为此，研制团队攻克了一系列关键技术。”孙武说。

嫦娥五号的轨道器和上升器交会对接，是体量相差巨大的“大追小”复杂受力过程，需要微波雷达的测角精度更高。微波雷达项目主任设计师贺中琴介绍，微波雷达主要作用在100公里到20米的中远程范围，精度的提高大幅提升了精准对接的胜算。

“太空摄影师”

拍下月壤样品返回对接

6日6时许，在38万公里外的环月轨道，航天器上的镜头清晰地记录了嫦娥五号上升器携带月壤样品与轨返组合体的交会对接过程。这张“硬核大片”背后的太空摄影师，是中国航天科技集团八院控制所研制的红外及可见光双谱段监视相机。

八院控制所光学导航专家郑循江介绍，该相机主要记录嫦娥五号轨道器与上升器的交会对接过程，以及轨道器与着陆器/上升器组合体分离、与支撑舱分离过程，集红外和可见光成像于一体。红外和可见光传感器经各自的光学镜头，获取图像数据，根据遥控指令的要求，可在六种拍摄模式中自由切换，实现红外和可见光分别或同时成像。

“相当于给普通相机加了一个夜视仪，即使交会对接过程发生在月背，接受不到太阳光照，我们也可以通过红外相机记录下全过程，确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程。”郑循江说。

该相机的可见光谱段分辨率达到2048×2048，红外谱段分辨率为640×480。在此基础上，还实现了红外和可见光同时成像，从而给地球上的观众带来了高清的视觉感受。

升级

微波雷达每减轻一克重量都意义重大

事实上，25所研制团队为这次交会对接打造的微波雷达，不仅是“千里眼”，更是“顺风耳”，升级后的它更小巧、更强大、更可靠。

微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时，还开发了航天器之间双向空空通信的“第二职业”，从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式，升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”，实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。

“以前就像老师上课点名，雷达发消息，应答机答到。现在，它们还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。”贺中琴说。