嫦娥五号完成高难度落月 背后关键技术曝光

记者从国家航天局获悉,12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区,并传回着陆影像图。

成功着陆后,着陆器在地面控制下,进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作,将正式开始持续约2天的月面工作,预计将采集2千克左右的月球样品。

这看似轻松的一幕,实际上却历尽艰辛,嫦娥五号探测器要像跳伞运动员一样在深空完成一系列高难度动作:主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落段……这背后离不开高科技的保驾护航。



GNC高精度关键技术

嫦娥五号任务的落月和近月制动一样,都是只有一次机会,必须一次成功。

由于涉及采样后上升器的月面起飞,所以,嫦娥五号落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程。相较于嫦娥三号、四号,嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度方面的高要求是空前的,需要一个着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑,坡度要符合任务要求。

可以说,落月的过程就是边飞行边找寻落点,在15分钟内完成,约600公里外的全程自主跳伞。

为了实现“选址正确,落点准确”,嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上应用的“粗精接力避障”的方式,即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,在该系统的指挥下,着陆器和上升器组合体先是大推力反向制动快速减速,然后快速调整姿态并对预定落区地形进行拍照识别,避开大的障碍,实现“粗避障”,然后组合体在飞到距离月面100米时悬停,并再次对选定区域进行精确拍照,实现“精避障”,之后再斜向下飘向选定的着陆点,在移动到着陆点正上方之后开始竖直下降,到距离月面较近时关闭发动机,然后利用着陆腿的缓冲实现软着陆。



图一:嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像

着陆缓冲机构显身手

落月的关键在于平稳。嫦娥五号着陆上升组合体在落月时,撞击月面会形成较大的冲击载荷,必须设计相应的着陆缓冲系统,吸收着陆的冲击载荷,保证探测器不翻倒、不陷落,这是落月的技术难题之一。着陆缓冲机构,通俗地说就是嫦娥五号的“腿”。

这四条缓冲、支撑一体化的“腿”可不一般,它们来自于机构分系统团队精心设计、巧手研制,更来源于嫦娥三号、嫦娥四号的完美基因。着陆缓冲机构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,解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面的问题。

与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比,由于任务难度增加,嫦娥五号任务的着陆缓冲能力要求提高了30%,但机构重量指标却减少了5%。这为总体设计部的团队成员带来了不小的难题。面临减重的难关,研制团队反复迭代,每次修改完设计,讨论时一旦发现新的减重突破口,又毫不犹豫地再次推翻设计、继续修改,最终成功满足了设计指标,确保了嫦娥五号稳定可靠地完成与月球的亲密拥抱。



图二:嫦娥五号探测器软着陆后降落相机拍摄的图像

精妙的“外脑”“外眼”

其实在嫦娥五号的落月过程中还有两个精妙的设计:

一是虽然表面上看是着陆器“背着”上升器软着陆到了月面上,但实际上整个落月的过程着陆器GNC系统的工作和智能自主的指挥过程都借助了“外脑”和“外眼”,这个“外脑”和“外眼”分别就是上升器月面起飞时要用的“最强大脑”中央控制计算机和通过“看星星”确定自己姿态的星敏感器,这是设计人员根据“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。

二是由于距离月面较近时主发动机会激起的月尘污染星敏感器,从而影响上升器月面起飞,所以科研人员专门设计了盖子,在距离月面一定的高度时把星敏感器的镜头盖起来,称之为“天黑请闭眼”,待落月之后月尘散去再通知星敏感器把盖子打开,这一睁一闭之间,着陆器和上升器组合体已经顺利着陆在月亮之上了。



定向天线“一线牵”

落月牵动人心。38万公里外的嫦娥五号正经历着什么样的考验?

所有的讯息,都需通过着陆上升组合体的一口小小的“锅”来时时传送遥测数据。这个“小锅”就是定向天线——把探测器上的数据传输到地面的发射转换装置。

从月球把数据发送回地球,通信的距离相比地面手机通信,远了几万倍,这就需要采取特殊的对地定向天线来发送数据。

五院总体设计部设计的定向天线包含了反射面天线辐射器、双轴驱动机构。双轴驱动机构就像人的肩关节、肘关节,驱动反射天线辐射器灵活地转动,确保“小锅”始终对准地面。为了使整器减重,此款反射面天线极致轻量化设计,相比同类天线减重40%以上,既轻便又可靠。



编辑:罗晖


(作者:综合经济日报经点科学工作室、央视新闻、国家航天局)

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