嫦娥奔月的“陜西制造”

文/梁芝芳（本刊記者）

嫦娥奔月的“陜西制造”

文/梁芝芳（本刊記者）

從繞月到落月，中國(guó)探月工程僅用了6年。在嫦娥三號(hào)這一我國(guó)航天史上的里程碑背后，陜西科技提供了多項(xiàng)有力的技術(shù)支持，其中有不少還是核心技術(shù)。

“3，2，1，點(diǎn)火！”2013年12月2日1時(shí)30分，浐河畔西安衛(wèi)星測(cè)控中心一號(hào)測(cè)控指揮大廳，響起干練雄厚的調(diào)度聲。千里之外的大涼山深處，嫦娥三號(hào)懷抱“玉兔”騰空而起，向“廣寒宮”奔去。

14日21時(shí)00分,首次應(yīng)用于中國(guó)航天器的空間變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī),嫦娥三號(hào)開(kāi)始實(shí)施動(dòng)力下降。主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障、緩速下降……11分鐘后，“嫦三姑娘”在月球虹灣區(qū)成功著陸，中國(guó)成為世界上第3個(gè)實(shí)現(xiàn)地外天體軟著陸的國(guó)家，人類(lèi)第130次探月之旅完美上演。

嫦娥登月，是我國(guó)航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)，這一中國(guó)航天史上的里程碑讓人們對(duì)“高精尖”的航天科技充滿好奇。而在這次發(fā)射和探月過(guò)程中，陜西科技提供了多項(xiàng)有力的技術(shù)支持，其中有不少還是核心技術(shù)。

眼睛：“嫦娥”“玉兔”成功互拍

15公里、10公里、5公里……遙控發(fā)令員于天一按下指令發(fā)送鍵，探測(cè)器降落相機(jī)開(kāi)機(jī)，嫦娥三號(hào)睜開(kāi)了“眼睛”，拍下第一幅實(shí)時(shí)畫(huà)面——明暗相間的月面，大大小小的隕石坑，這是中國(guó)人對(duì)月球從未有過(guò)的清晰凝視。

嫦娥“三姑娘”這雙“慧眼”的制造者，就是位于西安市高新區(qū)新型工業(yè)園的中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所。西安光機(jī)所研制的產(chǎn)品，在嫦娥一號(hào)、二號(hào)任務(wù)中曾拍攝出世界最全最清晰的月面圖。這次在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，光機(jī)所研制了兩個(gè)有效載荷及多個(gè)部件，全景相機(jī)就是其中最重要的一項(xiàng)。

西安光機(jī)所嫦娥三號(hào)全景相機(jī)主任設(shè)計(jì)師、副指揮楊建峰介紹，與以往所使用的相機(jī)相比，全景相機(jī)擁有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、彩色成像、分辨率高等多個(gè)特點(diǎn)。

為了克服月面晝夜溫差大的惡劣環(huán)境影響，全景相機(jī)采用獨(dú)立溫控措施，從而保證“晚上不被凍壞，早上醒來(lái)還能在高溫下正常工作”。

“相機(jī)采取大光圈設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)從3米到無(wú)窮遠(yuǎn)的清晰成像，基本覆蓋了從月球車(chē)腳下到月球邊際的范圍，在近距離觀測(cè)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)毫米量級(jí)的空間分辨率。”楊建峰說(shuō)，為了適應(yīng)月面不同光照的拍攝環(huán)境，全景相機(jī)采取兩種曝光模式和大光圈設(shè)計(jì)技術(shù)，使得成像范圍更廣、分辨率更高。

12月15日晚,“玉兔”號(hào)月球車(chē)走出著陸器一段距離后,用全景相機(jī)與著陸器互拍，著陸器上鮮艷的五星紅旗定格成為永恒，成為嫦娥三號(hào)任務(wù)圓滿成功的見(jiàn)證。

在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，西安光機(jī)所研發(fā)的多項(xiàng)光學(xué)設(shè)備，不僅使“嫦娥”“玉兔”看得見(jiàn)，還使我國(guó)億萬(wàn)人民親眼見(jiàn)證嫦娥飛天這一歷史性的時(shí)刻。嫦娥三號(hào)首次應(yīng)用了西安光機(jī)所研發(fā)的箭載攝像裝置，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射、飛行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓嫦娥飛天過(guò)程首次實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)直播”。通過(guò)箭載攝像裝置，地面指揮中心首次“近距離”觀察到火箭及衛(wèi)星組合體的飛行狀態(tài)。

西安光機(jī)所研發(fā)的導(dǎo)航、避障相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)以及星敏感光學(xué)系統(tǒng)是“嫦娥”“玉兔”順利落月、安全行駛的重要保障。

導(dǎo)航、避障相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)以及星敏感光學(xué)系統(tǒng)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王虎把導(dǎo)航與避障相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)比喻為巡視器安全行駛的“火眼金睛”。他介紹，導(dǎo)航相機(jī)是巡視器的導(dǎo)航儀，主要用來(lái)獲取感知周?chē)脑卤硇畔ⅲ?fù)責(zé)對(duì)巡視器行駛路線的偏差進(jìn)行修正和控制。避障相機(jī)對(duì)行進(jìn)中所遇的障礙物進(jìn)行識(shí)別，幫助巡視器繞開(kāi)。

與嫦娥一號(hào)對(duì)月球“撞擊式”的著陸方式不同，“三姑娘”屬于“溫柔”著陸，這得益于中國(guó)航天科技集團(tuán)航天五院西安分院有力的技術(shù)支撐。在最關(guān)鍵的落月環(huán)節(jié)，西安分院研制的測(cè)距測(cè)速敏感器通過(guò)把握速度和距離信息，給“三姑娘”裝上了“明亮的眼睛”，使“嫦娥”輕盈落月，而且落得精準(zhǔn)。航天五院西安分院“80后”研究員譚小敏說(shuō)：“這就像汽車(chē)?yán)锏姆雷怖走_(dá)，靠雷達(dá)獲取信息，提供給人的大腦，告訴我們什么時(shí)候該停車(chē)，什么時(shí)候該前進(jìn)。”

耳朵：38萬(wàn)公里地月“橋梁”

“三姑娘”探測(cè)器飛近月球,距離地球已達(dá)38萬(wàn)公里。這么遠(yuǎn),要控制嫦娥三號(hào)正常穩(wěn)定運(yùn)行,準(zhǔn)確向地面?zhèn)骰靥綔y(cè)數(shù)據(jù),必須架起遠(yuǎn)程測(cè)控及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?保證地月飛虹遠(yuǎn)程通信暢通無(wú)阻。為此,航天五院西安分院為嫦娥三號(hào)研制搭載了全新的測(cè)控天線、數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng),架起地月“橋梁”。

這個(gè)被媒體稱(chēng)為“順風(fēng)耳”的測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)好比一個(gè)通道，落月后，嫦娥三號(hào)探測(cè)器會(huì)實(shí)時(shí)將各類(lèi)探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)向地面，如果沒(méi)有這個(gè)通道，采集的一切數(shù)據(jù)都無(wú)法傳回來(lái)。

嫦娥三號(hào)的測(cè)距測(cè)速敏感器從開(kāi)始工作到停止，總共只有650秒。當(dāng)嫦娥三號(hào)距離月球15公里時(shí)，安裝在著陸器上的測(cè)距測(cè)速天線就像是安裝在測(cè)距測(cè)速敏感器上的靈敏“觸角”，不斷實(shí)時(shí)收、發(fā)信號(hào)，并及時(shí)傳遞至探測(cè)器的中央控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)時(shí)判斷嫦娥三號(hào)著陸的速度和距離信息。西安分院在這些“觸角”的后端配備了數(shù)據(jù)傳輸通道，測(cè)距測(cè)速天線及數(shù)據(jù)傳輸通道，為嫦娥三號(hào)探測(cè)器的落月電視直播全過(guò)程發(fā)送信號(hào)。

在航天器的制造過(guò)程中，每擰一個(gè)鏍絲都在數(shù)人監(jiān)督核對(duì)下進(jìn)行。 梁生樹(shù)//攝

測(cè)距測(cè)速敏感器、測(cè)距測(cè)速天線和UHF頻段測(cè)控?cái)?shù)傳通道,都是嫦娥三號(hào)區(qū)別于嫦娥一號(hào)、二號(hào)的亮點(diǎn)新設(shè)備,更是“三姑娘”落月并向地面?zhèn)鬏斣卤硖綔y(cè)信息的核心部件。

西安分院嫦娥三號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)家告訴記者,月球表面有大量浮塵,這些浮塵會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)造成干擾,而UHF頻段發(fā)射出的信號(hào)極強(qiáng),能夠穿透這些浮塵,直達(dá)地面。

月球環(huán)境條件惡劣，高低溫差將近330℃。嫦娥一號(hào)、二號(hào)的S頻段測(cè)控天線頂端是焊接而成，而“落月”及月表探測(cè)階段的巨大溫差會(huì)對(duì)這種焊接方法帶來(lái)潛在的巨大威脅。針對(duì)這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，測(cè)控天線設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將原來(lái)的饋電處由焊接改為螺釘連接，同時(shí)，將原來(lái)的螺旋銅線改為螺旋銅帶。改進(jìn)后的S頻段測(cè)控天線大大提高了抗高低溫交變能力，使得測(cè)控天線在極其惡劣的深空環(huán)境中也能正常工作。

由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所研發(fā)的國(guó)內(nèi)最大口徑66米大口徑深空測(cè)控天線，首次正式參加了“探月工程”任務(wù)，它和分布在上海、喀什、昆明、佳木斯、烏魯木齊等地的其余5套大型天線以及分布在西昌、喀什、廈門(mén)、青島、佳木斯和三亞等地的30多套測(cè)控通信天線，共同構(gòu)筑起一套精準(zhǔn)的測(cè)控保障系統(tǒng)，確保天地之間的聯(lián)系通道暢通無(wú)憂。

據(jù)介紹，66米大口徑深空測(cè)控天線是三十九所專(zhuān)門(mén)為“嫦娥”任務(wù)研發(fā)，攻克了大型天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)，并解決了超遠(yuǎn)距離測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，在太空中的測(cè)控距離最遠(yuǎn)可達(dá)4億公里，是目前國(guó)際上深空探測(cè)可達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。同時(shí)，該測(cè)控天線首次引入超導(dǎo)技術(shù)與深度制冷技術(shù)，在零下270℃的低溫環(huán)境下，仍可正常接受來(lái)自太空的測(cè)控信號(hào)，這是我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域首獲突破。

心臟：變推力發(fā)動(dòng)機(jī)完美“首秀”

12月14日，當(dāng)航天科技集團(tuán)公司六院研制的7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，第一次將嫦娥三號(hào)探測(cè)器推舉飛越了38萬(wàn)公里，精準(zhǔn)地落到月球上時(shí)，坐落在西安航天產(chǎn)業(yè)基地的航天六院大樓里一片歡騰。

嫦娥三號(hào)從被成功地推舉到太空，到繞月飛行，再到安全落月，這每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)精準(zhǔn)的動(dòng)力把握——發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于嫦娥三號(hào)的“心臟”，給她提供持續(xù)的動(dòng)力。作為中國(guó)金牌動(dòng)力的航天六院，再次書(shū)寫(xiě)了傳奇。

在距離地球38萬(wàn)公里的月球表面，想找個(gè)沒(méi)坑沒(méi)洼沒(méi)石頭又平整的月面落下去，對(duì)嫦娥三號(hào)來(lái)說(shuō)可不是一件容易的事。她必須在距月球表面100公里處開(kāi)始“剎車(chē)”，然后在一定高度懸停、平移，緩緩下降到距月面4米處，再輕輕地跳下去。

航天六院質(zhì)量技術(shù)部部長(zhǎng)郭國(guó)長(zhǎng)形象地說(shuō)明了這一過(guò)程的高難度：“基本上要能達(dá)到一個(gè)人從兩米左右高的臺(tái)階上輕輕往下跳這么一個(gè)速度，保證嫦娥三號(hào)不受較大的震動(dòng)，平平穩(wěn)穩(wěn)地落到月球上，不翻轉(zhuǎn)不傾斜。”

“只有發(fā)動(dòng)機(jī)‘推得精’，嫦娥三號(hào)的速度才能‘變得準(zhǔn)’。”火箭專(zhuān)家、航天六院副院長(zhǎng)劉志讓說(shuō)，“我們?yōu)殒隙鹑?hào)量身研制了變推力發(fā)動(dòng)機(jī)。它朝著嫦娥三號(hào)落月運(yùn)動(dòng)的反方向作用，從而實(shí)現(xiàn)減速”。他介紹，嫦娥三號(hào)推進(jìn)分系統(tǒng)由1臺(tái)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)和若干臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成。7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前推力變化范圍最大的發(fā)動(dòng)機(jī)，嫦娥三號(hào)任務(wù)是這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)航天事業(yè)中的首秀。

嫦娥三號(hào)進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，在導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)的指揮下改變推力大小，完成主減速和快速調(diào)整。轉(zhuǎn)入環(huán)月飛行，在距月面100公里高度進(jìn)行制動(dòng)。在近月15公里左右，變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始根據(jù)即時(shí)速度不斷調(diào)整推力。短短幾分鐘，嫦娥三號(hào)速度從每秒1.7公里降至大約每秒50米，高度從15公里降至不到3公里。

“嫦娥三號(hào)上只有一臺(tái)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，如果單點(diǎn)失效，嫦娥三號(hào)的任務(wù)就完不成了。”航天六院科研計(jì)劃部部長(zhǎng)劉紅斌說(shuō)。為了保證“三姑娘”的月球“第一步”穩(wěn)、準(zhǔn)、柔，六院研制團(tuán)隊(duì)打了5年“仗”。

研制初期,由于國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)與資料同時(shí)匱乏,幾乎每周都會(huì)有失敗的試驗(yàn)在上演。一周生產(chǎn)一臺(tái)產(chǎn)品,甚至兩周就生產(chǎn)三臺(tái)產(chǎn)品，無(wú)論時(shí)間多晚,所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,但結(jié)果還是不盡人意：不是性能上不去，就是性能上去了但沒(méi)幾秒就又燒蝕了。

就這樣反復(fù)試驗(yàn)、反復(fù)生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一年多的艱苦探索和頑強(qiáng)攻關(guān)，六院研制團(tuán)隊(duì)終于突破了“高性能、長(zhǎng)壽命的推力室技術(shù)”“流量精確調(diào)節(jié)與穩(wěn)定技術(shù)”和“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化與集成技術(shù)”這三大關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)基本滿足了探測(cè)器技術(shù)要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)的工程研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，而且達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

在一張質(zhì)量復(fù)查單中，記者看到這樣一些數(shù)字：著陸器推進(jìn)分系統(tǒng)二百多根導(dǎo)管、四百多條焊縫管路、四百多處螺釘連接部位，活接頭部位近百處……單從這些可精確追溯到每一個(gè)人的數(shù)字里，就能看出航天六院在質(zhì)量管控方面所下工夫之“精”。