嫦娥五號(hào)探測(cè)器在軌工作效果圖 本文圖片均由 中國(guó)航天科技集團(tuán)八院 供圖
11月24日4時(shí)30分,我國(guó)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭,成功將嫦娥五號(hào)探測(cè)器送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。
嫦娥五號(hào)作為探月工程三期任務(wù)的收官之戰(zhàn),將實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月球無(wú)人采樣返回。在本次任務(wù)的諸多看點(diǎn)之中,人類首次月球軌道無(wú)人自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、樣品轉(zhuǎn)移無(wú)疑是最大的亮點(diǎn)之一,而實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的核心,就是由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院(上海航天技術(shù)研究院)研制的對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。
上千次實(shí)驗(yàn),只為太空交接不差分毫
根據(jù)計(jì)劃,完成月壤樣品的采集任務(wù)后,嫦娥五號(hào)上升器將攜帶月壤從月面起飛,與等候在月球軌道的軌道器自主交會(huì)對(duì)接,并將攜帶的樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器。
嫦娥五號(hào)探測(cè)器在軌工作效果圖
八院專家表示,這一次的“交會(huì)對(duì)接”不同尋常。
嫦娥五號(hào)的對(duì)接機(jī)構(gòu)必須小而精,其重量是載人航天對(duì)接機(jī)構(gòu)的十五分之一,還要具備樣品容器捕獲、自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能,重量更輕、精度更高、過(guò)程更穩(wěn)。
中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花介紹,軌道器上的對(duì)接機(jī)構(gòu),由3套K形抱爪構(gòu)成。
上升器攜帶月壤從月面起飛后,逐漸靠近軌道器,此時(shí),軌道器上的爪子只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿,將抱爪收緊,就可以實(shí)現(xiàn)兩器緊密對(duì)接。
與對(duì)接艙、上升器分離后,軌道器將攜帶返回器進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道;在距離地球5000公里處與返回器分離,將返回器投送回地球。
“我們構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng),先后進(jìn)行了661次對(duì)接測(cè)試、518次樣品轉(zhuǎn)移測(cè)試,通過(guò)不斷地測(cè)試、優(yōu)化,確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程的萬(wàn)無(wú)一失。”對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲介紹,“我們甚至在試驗(yàn)中故意加入小故障,讓對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)判別,進(jìn)行故障排除,確保整個(gè)過(guò)程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠。”
減重3.6Kg:每克重量比黃金還貴
月球探測(cè)距離達(dá)40萬(wàn)km,火箭承載能力有限,要攜帶月壤采集樣本返回,飛行器“重量“非常關(guān)鍵減少1g所付出的代價(jià),遠(yuǎn)比1g黃金還貴。
減重從工程圖像與測(cè)量分系統(tǒng)上著手。
工程圖像與測(cè)量分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師吳紅松介紹,這一系統(tǒng)肩負(fù)著探測(cè)器太陽(yáng)翼天線展開(kāi)、各次分離對(duì)接、月球采樣樣品容器轉(zhuǎn)移等過(guò)程的監(jiān)視任務(wù),理論上至少需要13臺(tái)攝像機(jī)。而按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),鏡頭、電路板等組合而成的一臺(tái)攝像機(jī),最輕的也要0.5Kg左右。
面對(duì)“不可能實(shí)現(xiàn)“的減重要求,系統(tǒng)采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
在空間維度,研制團(tuán)隊(duì)引入三維動(dòng)畫模擬仿真技術(shù),通過(guò)“安裝位置和視場(chǎng)角度”兩個(gè)參數(shù)的多輪仿真迭代,最終確定了每個(gè)攝像機(jī)最小視場(chǎng)角和最優(yōu)安裝布局,保證單個(gè)攝像機(jī)至少可兼顧二個(gè)手型抱爪機(jī)構(gòu),且保證其中一個(gè)攝像機(jī)清晰監(jiān)視月球樣品容器轉(zhuǎn)移全過(guò)程。
“別小看這一個(gè)位置的確認(rèn),設(shè)備安裝在梯形對(duì)接艙上,面對(duì)布局受限且安裝面存在高度差的困難,團(tuán)隊(duì)付出了一年的心血。”回憶起那段奮斗的日子副主任設(shè)計(jì)師葉盛還是感慨萬(wàn)千。
最終,分系統(tǒng)配套的攝像機(jī)由13臺(tái)降至4臺(tái),總質(zhì)量從原來(lái)的6.5Kg減重到2.9Kg。
為嫦娥奔月打造強(qiáng)勁電源,他們做到了
嫦娥能夠赴月宮“探親”,強(qiáng)勁的電源是她能在廣袤太空中的重要支撐。
電源系統(tǒng)由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽(yáng)電池陣組成。在嫦娥五號(hào)任務(wù)中,中國(guó)航天科技集團(tuán)八院811所承擔(dān)了軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù),他們卯足了馬力。
嫦娥五號(hào)電源產(chǎn)品技術(shù)負(fù)責(zé)人徐澤峰說(shuō),針對(duì)原先電路板集成密度不高的問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),摒棄了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星型號(hào)普遍采用的直插式工藝,首次采用了大規(guī)模表貼式工藝,引領(lǐng)了該技術(shù)在后續(xù)其他型號(hào)應(yīng)用的新局面。
團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了模塊電纜的高度集成,大幅度減少了體積和重量。
對(duì)比嫦娥三號(hào)產(chǎn)品,原先的正面直插式工藝被換成了雙面貼片,電路板集成密度大大提高;原先布滿了密密麻麻導(dǎo)線的電路板,現(xiàn)在整齊地分布著寥寥幾條清晰的線路;單機(jī)的模塊數(shù)量則從原先的5個(gè)壓縮為2個(gè),體積達(dá)到了嫦娥三號(hào)控制器體積的1/3。這些技術(shù),在后續(xù)實(shí)現(xiàn)了二十多個(gè)專利的授權(quán)。
經(jīng)過(guò)8個(gè)月的努力,他們還將鋰離子蓄電池的重量比能量提高至195Wh/kg。這個(gè)數(shù)值,為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。
“電源控制器比功率國(guó)內(nèi)最高、國(guó)際領(lǐng)先,鋰離子蓄電池航天應(yīng)用比能量最高,太陽(yáng)電池陣面積比功率國(guó)內(nèi)最高”,這是他們交出的滿意答卷。