“太空快遞小哥”發射升空！專家詳解嫦娥五號軌道器
2020年11月24日4時30分，我國在文昌發射場用長征五號運載火箭，成功將嫦娥五號探測器送入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。嫦娥五號是我國探月工程“繞落回”三期任務的收官之戰，將實現我國首次月球無人采樣返回。
嫦娥五號由軌道器、著陸器、上升器、返回器組成。其中，由中國航天科技集團有限公司八院研制的軌道器，將承擔地月往返運輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉移等重任，就像一位藝高膽大、超級炫酷的“太空快遞小哥”，從地球出發趕到38萬公里外的月球軌道上，取一份來自月球的珍貴樣品，再快遞回地球。
目前最復雜的空間飛行器之一
據中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹，軌道器的工作貫穿整個嫦娥五號探測任務。
發射升空后，這位“太空快遞小哥”第一項任務是運輸。作為一個自主飛行器，它負責攜帶著陸器、上升器和返回器，完成地月轉移、中途修正和近月制動。進入環月軌道后，軌道器與著陸器上升器的組合體分離，攜帶返回器留在軌道上等候“取件”。
著陸器與上升器組合體抵達月球，完成月壤樣品的采集任務后，上升器攜帶樣品從月面起飛，與等候在月球軌道的軌道器自主交會對接，并將攜帶的樣品容器轉移至返回器。與對接艙、上升器分離后，軌道器將攜帶返回器進入月地轉移軌道；在距離地球5000公里處與返回器分離，將返回器投送回地球。
“在嫦娥五號整個任務中，軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，是目前最復雜的空間飛行器之一?！辈閷W雷介紹說，擔負重任的軌道器在技術上呈現“三多”特點：
一是飛行階段多。軌道器參與運載發射、地月轉移、近月制動、環月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移和再入回收等探測器系統11個飛行階段中的8個階段。
二是器間狀態多。軌道器在飛行過程中有6種組合體狀態，承擔器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，多種組合體飛行狀態器間接口復雜，軌道器任務過程要經歷多次的變軌和姿態調整，軌道飛行、姿態控制難度大，機、電、熱接口可靠性要求高。
三是分離次數多。軌道器要按順利完成地月轉移，并將裝有樣品容器的返回器帶回地球，整個過程涉及5次分離，包括與火箭分離、與著陸上升組合體分離、與支撐艙分離、與對接艙上升器組合體分離、與返回器分離。在軌分離次數多，分離環境復雜，系統設計難度極大。
人類首次月球軌道的自動交會對接
作為嫦娥五號“飛天采樣”任務中的一位“太空快遞小哥”，軌道器最重要的一項任務是“取件”。在距離地球38萬公里外的月球軌道上，軌道器與上升器自動交會對接，并將上升器里的樣品轉移到返回器。這是人類航天器首次在月球軌道上進行自動交會對接。對接與樣品轉移機構均由中國航天科技集團八院研制。
據中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號軌道器與上升器采用的對接方式，與我國載人航天采用的對接方式有很大區別。載人航天采用的是“異體同構周邊式對接機構”，兩個航天器對接后形成80公分左右的通道，航天員可以在其中穿行。
嫦娥五號采用的是“抱爪式對接機構”，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現對接與自動轉移功能的一體化。這些設計理念均為世界首創，對接精度可以達到毫米級。
“所謂抱爪式，就像我們的手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中?！辨隙鹞逄栜壍榔骷夹g副總負責人胡震宇解釋說，“對接機構由3套K形抱爪構成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接?！?/p>
當軌道器和上升器對接完成后，還需將上升器里裝有月壤樣品的容器轉移到返回器。
連桿棘爪式轉移機構，可以巧妙地利用倒三角形構型的棘爪，通過伸縮，將容器逐漸移動到返回器中。
據八院805所對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲介紹，由于月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。所有步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為保證萬無一失，研制團隊做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。
多項關鍵技術獲得突破
為了完成極其復雜的月球無人取樣返回任務，嫦娥五號好似一位“變形金剛”，需要在太空中完成“分離-組合-再分離-再組合”的變形過程。
針對整個任務飛行狀態多、器間接口多、工作模式多、技術攻關難、地面驗證難、運載與發射場新等特點，八院的軌道器研制團隊突破了多項關鍵技術，將這位“太空快遞小哥”打造得錚錚鐵骨、身輕如燕，藝高膽大、超級炫酷。
為了保證組合狀態下器與器連得穩固、分離過程中器與器安全可靠地分開，軌道器擁有5個分離面。研制團隊摒棄了傳統的艙段間連接方式，創新性采用了多點高強度的分離螺母進行連接。
這種連接方式，通過在各分離面配置不同數量的分離螺母，以滿足艙段間連接強度與剛度要求。同時，“雙作動”分離螺母包含兩套解鎖機構，其中任意一套動作，就能確保分離面每一個分離點的可靠分離。
軌道器采用了分艙段設計，各艙段都有對應的配電管理、熱控管理、信息管理需求。研制團隊創新提出分區域管理的分布式綜合電子單機設計思想，以及整器電氣管理的區域化、標準化、模塊化設計思想。通過制定一系列標準規范，使綜合電子系統從內到外整齊標準，靈活組裝、易于拓展，跑得穩軟件，傳得好信號，點得起火工品，控得住機構。
為了控制“體重”，軌道器在要求強大承載能力的同時，還必須“身輕如燕”。為此，研制團隊首次使用了大承載復雜構型輕量化結構；首次創新使用多次分離復雜構型；首次使用多冗余路徑復合傳力結構，首次采用大承載復合材料承力球冠技術等7項創新技術。僅46千克的承力球冠，能承載3噸貯箱，具備30噸的極限承載能力，堪比“雞蛋殼上掛秤砣”。
月球軌道對接與樣品轉移技術，是嫦娥五號“飛天取樣返回”能否成功的最關鍵技術。早在2011年1月，八院805所就開始進行相關技術攻關和工程研制。研制團隊突破了輕小型弱撞擊式對接、復雜接口自動樣品轉移、對接與轉移一體化等關鍵技術，構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統。
10年來，八院的研制團隊先后進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試，通過不斷地測試、優化，確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失。
（來源：新華社客戶端）
網絡編輯：柔翡