探月工程管理創(chuàng)新與專項試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)實(shí)踐

孫為鋼 王博 孟林智 趙立軍

(1 中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

月球是距離地球最近的天體，它蘊(yùn)藏著豐富的自然資源和能源，一直是各國開展深空探測的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，也是目前人類認(rèn)識最為深入的地外天體。在20世紀(jì)50年代末60年代初，蘇聯(lián)和美國相繼發(fā)射了月球探測器，特別是美國在1969年阿波羅11號飛船實(shí)現(xiàn)了人類的首次載人登月，顯示了人類的智慧和能力。

中國的航天活動開始于20世紀(jì)60年代，1970年4月24日成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。2000年11月22日，國務(wù)院發(fā)表了《中國的航天》白皮書，明確提出了開展以月球探測為主的深空探測發(fā)展目標(biāo)。2002年起，原國防科工委組織建立了全國大協(xié)作的工程體系框架，結(jié)合國際月球探測的主要特點(diǎn)，充分考慮我國的技術(shù)水平、綜合國力和整體發(fā)展規(guī)劃，提出了我國實(shí)施月球探測的發(fā)展思路：堅持“循序漸進(jìn)、分步實(shí)施、不斷跨越”的原則，逐步積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，及時提高運(yùn)載能力以適應(yīng)深空探測的發(fā)展需求，于2020年前完成我國的探月工程，即嫦娥工程[1]。探月工程分三個階段實(shí)施：繞月探測，月球軟著陸和自動巡視勘察，自動采樣返回，簡稱“繞、落、回”。目前，探月一期(嫦娥一號)、二期(嫦娥三號)已圓滿完成，三期(嫦娥五號)正在實(shí)施。其中，嫦娥二號、四號、六號分別為一號、三號和五號任務(wù)的備份，進(jìn)行改造后執(zhí)行新的任務(wù)。

我國正在開展未來深空探測任務(wù)的論證工作，通過探月工程實(shí)施所形成管理和技術(shù)創(chuàng)新研究成果將對未來深空探測任務(wù)的實(shí)施具有重要的借鑒和應(yīng)用價值。尤其是探月工程三期月面采樣返回探測任務(wù)具有長征五號火箭首次正式任務(wù)發(fā)射、探測器四器組合系統(tǒng)復(fù)雜、任務(wù)實(shí)施關(guān)鍵環(huán)節(jié)多、關(guān)鍵技術(shù)難度大等特點(diǎn)，對地面試驗(yàn)驗(yàn)證的要求極高，其所牽引發(fā)展的新型專項地面驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)施具有代表性，可應(yīng)用于后續(xù)深空探測工程研制中。因此，本文在簡要描述探月工程主要進(jìn)展、管理和技術(shù)創(chuàng)新等方面情況的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)分析了探月工程三期所牽引發(fā)展的探測器和運(yùn)載火箭系統(tǒng)7項典型大型地面專項試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的主要目的、實(shí)施和應(yīng)用等情況。

1 探月工程成就與創(chuàng)新

1.1 主要成就

1.1.1 探月一期

2004年，探月一期工程正式獲批立項，揭開了我國開展月球及深空探測活動的序幕。經(jīng)過3年多的研制，2007年10月24日，我國發(fā)射了第一個月球探測器——嫦娥一號衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了繼人造地球衛(wèi)星、載人航天之后我國航天活動的第三個里程碑，初步構(gòu)建了完整的探月工程體系，使我國跨入世界上具有深空探測能力國家的行列[2]。嫦娥一號衛(wèi)星在軌運(yùn)行495天后，于2009年3月1日受控撞擊于月球的豐富海區(qū)域(東經(jīng)52.36°、南緯1.5°)，為探月一期工程畫上圓滿的句號[1]。嫦娥一號成功后，嫦娥二號調(diào)整為探月二期的技術(shù)先導(dǎo)星。嫦娥二號衛(wèi)星于2010年10月1日成功發(fā)射，2011年4月1日圓滿實(shí)現(xiàn)既定六大工程目標(biāo)，完成了規(guī)定的技術(shù)驗(yàn)證項目，并獲取了以7 m分辨率全月球圖像為代表的一大批科學(xué)成果。之后，通過創(chuàng)新設(shè)計，充分利用衛(wèi)星剩余資源，設(shè)計了多階段拓展任務(wù)，通過一次發(fā)射任務(wù)完成了月球、日-地L2點(diǎn)、圖塔蒂斯小行星的多目標(biāo)探測，使嫦娥二號衛(wèi)星成為我國首顆飛入行星際的探測器，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，取得了“低成本、高質(zhì)量、高回報”的突出實(shí)效，將中國深空探測事業(yè)推進(jìn)到一個新的高度[3]。

1.1.2 探月二期

2008年，探月二期工程立項并進(jìn)入工程實(shí)施階段。其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月面軟著陸，開展月面就位探測與巡視勘察。2013年12月2日，中國成功發(fā)射嫦娥三號探測器，于12月14日自主軟著陸于月球“虹灣”區(qū)域，釋放玉兔號月球車至月球表面，實(shí)現(xiàn)了月面軟著陸和巡視探測。嫦娥三號探測器是一個全新的航天器，是我國第一次在地球以外的天體上進(jìn)行就位和巡視探測[4]。通過大量的設(shè)計分析、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面驗(yàn)證試驗(yàn)，突破了月球軟著陸和月面巡視的核心關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥三號成功后，其備份星嫦娥四號賦予了新的任務(wù)使命，將實(shí)施人類首次月球背面軟著陸，開展就位與巡視探測，并通過中繼星將探測數(shù)據(jù)傳輸回地球。嫦娥四號計劃于2018年左右發(fā)射，著陸區(qū)初步選擇于月球背面南極艾特肯盆地上[5]。

1.1.3 探月三期

2011年，探月三期工程立項，任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月面無人采樣返回，同時進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為深空探測夯實(shí)技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量體系保障、人才隊伍培養(yǎng)等基礎(chǔ)。探月三期工程采用新研制的長征五號運(yùn)載火箭，在新建的海南發(fā)射場，發(fā)射全新的嫦娥五號探測器。整個任務(wù)流程將近1個月。在這個方案中，要在嫦娥三號月面軟著陸的基礎(chǔ)上，突破月面表取采樣、鉆取采樣、月球樣品封裝、月面起飛技術(shù)、月球軌道交會對接、樣品轉(zhuǎn)移等技術(shù)，工程中還要實(shí)現(xiàn)多次分離，以及高精度的軌道測量和控制。為降低工程風(fēng)險，探月三期工程于2014年10月成功進(jìn)行了繞月返回地球并實(shí)現(xiàn)一次跳躍式再入大氣層的飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了半彈道跳躍式再入的氣動、熱防護(hù)、再入GNC等技術(shù)[6]，獲取了有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 主要創(chuàng)新

1.2.1 管理創(chuàng)新

作為航天領(lǐng)域的國家重大科技工程，探月工程在管理方面，按照國家重大科技專項管理有關(guān)要求，結(jié)合航天型號系統(tǒng)工程管理、民用航天工程管理、項目管理等的優(yōu)點(diǎn)，形成特有的管理模式和方法。

探月工程成立重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)研究決策工程研制過程中的重大事項；專門設(shè)立工程大總體，負(fù)責(zé)工程計劃、質(zhì)量、經(jīng)費(fèi)、保障條件等全要素管理和大總體協(xié)調(diào)工作；運(yùn)載火箭、探測器、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用系統(tǒng)各負(fù)其責(zé)，分頭開展各系統(tǒng)研制建設(shè)工作；實(shí)施工程兩總負(fù)責(zé)制和分級管理制度，任命工程總指揮、總師、副總指揮、副總師，五大系統(tǒng)任命型號總指揮、總師、副總指揮、副總師，分層落實(shí)責(zé)任制；研制過程中實(shí)行重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組會、工程總師例會、月度研制調(diào)度會等機(jī)制。各級責(zé)任制的落實(shí)和行之有效機(jī)制的實(shí)施確保了工程研制順利進(jìn)行。

深空探測任務(wù)相對于地球軌道衛(wèi)星任務(wù)，具有任務(wù)規(guī)模復(fù)雜、探測器構(gòu)形特殊、環(huán)境極端惡劣、飛行距離遠(yuǎn)、飛行程序關(guān)鍵環(huán)節(jié)多、關(guān)鍵技術(shù)難度大、地面驗(yàn)證難等特點(diǎn)，中國航天科技集團(tuán)有限公司實(shí)施重大技術(shù)獨(dú)立評估，大力開展飛行事件保證鏈分析，有效識別和控制工程研制過程中的風(fēng)險，確保了各項任務(wù)圓滿成功。

1)重大技術(shù)獨(dú)立評估

重大技術(shù)獨(dú)立評估是針對中國航天科技集團(tuán)有限公司、甚至中國航天領(lǐng)域首次遇到的、影響任務(wù)成敗的重大技術(shù)，聘請獨(dú)立于探月工程研制隊伍以外的、國內(nèi)(含公司以外的)相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威或知名專家，從第三方角度，對重大技術(shù)方案的正確性、地面驗(yàn)證的充分性、技術(shù)風(fēng)險控制的有效性等方面開展評估，并給出意見和建議，為探月工程研制隊伍提供支撐和參考。在組織方式上，成立獨(dú)立評估委員會，根據(jù)重大技術(shù)涉及的專業(yè)技術(shù)方向，下設(shè)幾個專題評估組，遵循獨(dú)立、專業(yè)、客觀、深入的工作原則，通過聽取匯報、查閱資料、實(shí)物考證、交流質(zhì)詢、分析研究、復(fù)核復(fù)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式開展評價工作。

2012年，重大技術(shù)獨(dú)立評估的措施和方法首次在嫦娥三號任務(wù)中得以應(yīng)用，成果作用顯著。評估委員會成立總體技術(shù)、安全著陸、巡視探測、推進(jìn)技術(shù)四個專題評估組，共提出406項評估意見和待辦事項，探測器系統(tǒng)針對專家意見進(jìn)行了復(fù)查和改進(jìn)，確保問題全部閉環(huán)，為嫦娥三號探測器技術(shù)風(fēng)險可控、任務(wù)圓滿成功提供了有力的保障。重大技術(shù)獨(dú)立評估在嫦娥三號任務(wù)中的成功應(yīng)用，為其它重大航天器管理工作提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒，并在后續(xù)的探月三期探測器系統(tǒng)半彈道高速跳躍式再入返回試驗(yàn)、嫦娥五號月面采樣返回、嫦娥四號月球背面軟著陸和巡視勘察等任務(wù)中加以應(yīng)用，充分發(fā)揮外部專家力量，為重大工程順利實(shí)施保駕護(hù)航。

2)飛行事件保證鏈分析

飛行事件保證鏈分析是指探測器和運(yùn)載火箭系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)和單機(jī)承研單位對相應(yīng)各級飛行事件的輸入條件、輸出結(jié)果、執(zhí)行時間以及與其它事件的關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理分析，對飛行事件的關(guān)鍵動作進(jìn)行清理，確定重點(diǎn)保證工作項目，明確各飛行事件的責(zé)任制和工作要求，落實(shí)責(zé)任人，制定地面測試、飛行遙測數(shù)據(jù)的分析準(zhǔn)則，并以此來判定工作程序中每一事件執(zhí)行是否成功，提出確保各飛行事件成功、系統(tǒng)或單機(jī)的功能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的措施，形成與飛行事件鏈相對應(yīng)的保證鏈。

飛行事件保證鏈分析方法在探月工程運(yùn)載火箭系統(tǒng)和探測器系統(tǒng)研制中得到大力推行和應(yīng)用。特別是長征五號運(yùn)載火箭專項立項后，在方案、初樣、試樣等不同研制階段針對飛行事件開展了深入的保證鏈研究和迭代分析，并據(jù)此完善了地面驗(yàn)證試驗(yàn)矩陣、故障預(yù)案等技術(shù)和質(zhì)量管理工作，為探月三期任務(wù)的研制提供了有力的保障。

1.2.2 技術(shù)創(chuàng)新

通過探月工程的實(shí)施，我國已經(jīng)突破了月球環(huán)繞、軟著陸、就位和巡視、采樣返回等一系列深空探測關(guān)鍵技術(shù)，具備對月球進(jìn)行科學(xué)探測的基本能力[1]。主要關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新包括：

(1)運(yùn)載火箭窄窗口多彈道發(fā)射技術(shù)，包括火箭發(fā)射與飛行技術(shù)、確保火箭運(yùn)載能力的措施與技術(shù)、發(fā)射場技術(shù)等；

(2)探測器地月轉(zhuǎn)移和環(huán)月飛行軌道設(shè)計技術(shù)，包括地月直接轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計、環(huán)月飛行軌道優(yōu)化、著陸/上升軌道設(shè)計、月面軌道調(diào)整優(yōu)化等[3]；

(3)深空制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，包括三體指向控制新技術(shù)、高精度自主變軌控制技術(shù)、控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、系統(tǒng)容錯-重構(gòu)技術(shù)等[3]；

(4)深空遠(yuǎn)距離測控通信技術(shù)，包括測控通信體制研究、多探測器通信與相對定位技術(shù)、多元數(shù)據(jù)處理技術(shù)、集成化綜合電子系統(tǒng)、星載測控通信設(shè)備等[5]；

(5)月面軟著陸技術(shù)，包括軟著陸導(dǎo)航與控制、輕型桁架式主承力結(jié)構(gòu)、軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)、可調(diào)推力式推進(jìn)等技術(shù)[7]；

(6)月面巡視與控制技術(shù)，包括月面移動、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃與控制等技術(shù)[4]；

(7)月夜生存技術(shù)，包括先進(jìn)熱控技術(shù)、同位素能源技術(shù)、機(jī)構(gòu)的潤滑、密封技術(shù)和重復(fù)展開技術(shù)、元器件的月面生存低溫耐受技術(shù)等[4]；

(8)月面自動采樣與封裝技術(shù)，包括采樣封裝綜合設(shè)計技術(shù)、樣品采集與定型技術(shù)、樣品封裝與穩(wěn)固技術(shù)、樣品長期存儲技術(shù)等；

(9)月面起飛上升技術(shù)，包括基于著陸平臺的月面起飛技術(shù)，月面起飛上升制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，月面起飛地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等；

(10)月球軌道交會對接技術(shù)，包括交會對接總體設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)、交會對接GNC技術(shù)、弱撞擊式對接機(jī)構(gòu)技術(shù)等；

(11)接近第二宇宙速度返回地球高速跳躍式再入大氣技術(shù)，包括高速再入制導(dǎo)與控制技術(shù)、氣動分析與試驗(yàn)技術(shù)、防熱結(jié)構(gòu)技術(shù)、回收著陸技術(shù)等[6]；

(12)深空新型科學(xué)載荷技術(shù)，包括高分辨率CCD立體相機(jī)、微波探測儀、激光高度計、伽瑪譜儀、X射線譜儀、γ/X射線譜儀、太陽風(fēng)高能粒子探測器、太陽離子探測器、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、紫外相機(jī)、雙通道超寬帶時域脈沖雷達(dá)等[8]。

以上關(guān)鍵技術(shù)的突破進(jìn)一步提升中國航天技術(shù)水平，形成了月球探測工程基本技術(shù)體系，為未來火星、小行星、木星系乃至太陽系外科學(xué)探測奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵技術(shù)的突破離不開地面試驗(yàn)驗(yàn)證，探月工程針對各項深空探測關(guān)鍵技術(shù)的需求，牽引支持開展專項地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究，已經(jīng)初步形成了深空探測地面試驗(yàn)驗(yàn)證體系，確保了探月工程研制工作的順利進(jìn)行，也為未來深空探測任務(wù)的實(shí)施奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2 探月工程三期地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

月球及深空任務(wù)探測器發(fā)射后一旦出現(xiàn)故障幾乎不可能維修，為了提高探測器可靠度，降低任務(wù)風(fēng)險，發(fā)射前進(jìn)行充分的地面環(huán)境試驗(yàn)十分必要。月球及深空探測器與地球軌道航天器在考慮環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境試驗(yàn)方面有許多相似之處，但也有不同之處，特別是環(huán)繞、著陸、采樣返回探測任務(wù)中的空間環(huán)境、進(jìn)入環(huán)境、著陸環(huán)境及天體表面環(huán)境的特殊性，需要解決地面環(huán)境模擬試驗(yàn)的一系列具體的技術(shù)難題，同時需要建造和完善相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)施，通過充分的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品方案或制造質(zhì)量方面各種潛在的問題和缺陷。

月球及深空探測任務(wù)遇到的環(huán)境有自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境兩大類，前者是客觀存在的，后者是探測器和運(yùn)載火箭產(chǎn)生的[9]。環(huán)境對探測器的影響涉及機(jī)械、電、熱、磁、光學(xué)、輻射等各個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，環(huán)境對探測器產(chǎn)品產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)可在材料、元器件、組件、分系統(tǒng)、系統(tǒng)等各種裝配級別上表現(xiàn)出來。環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證工作貫穿于整個型號的研制計劃中，不同的研制階段需要進(jìn)行不同的環(huán)境試驗(yàn)來達(dá)到不同的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

針對全任務(wù)周期內(nèi)經(jīng)受的環(huán)境，在綜合考慮效益、進(jìn)度、可行性的前提下，需盡可能地在地面針對各個環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，以驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計方案、工藝方案的正確性和合理性，暴露產(chǎn)品制造質(zhì)量、材料、工藝方面的缺陷，排除早期失效，提高工作壽命期間的使用可靠性。

針對探月工程這些高度復(fù)雜的工程任務(wù)，在規(guī)劃系統(tǒng)級地面驗(yàn)證試驗(yàn)時應(yīng)遵循以下基本原則：

(1)能夠?qū)υ囼?yàn)對象進(jìn)行充分驗(yàn)證。

(2)試驗(yàn)邊界條件不能低于真實(shí)的環(huán)境經(jīng)歷，能夠?qū)υ囼?yàn)對象起到加嚴(yán)考核的目的。

(3)在滿足試驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，試驗(yàn)方法盡量簡單、安全、可靠。

(4)試驗(yàn)工況在覆蓋在軌工作工況的前提下盡可能的少。

以探月三期工程為例，其任務(wù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是前所未有的，新技術(shù)更多，試驗(yàn)驗(yàn)證更難。長征五號運(yùn)載火箭和嫦娥五號探測器應(yīng)用了大量的新技術(shù)和新產(chǎn)品，均需在地面進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。基于上述原則，除了進(jìn)行比常規(guī)任務(wù)更為復(fù)雜的力學(xué)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)、電性能綜合試驗(yàn)和大系統(tǒng)對接試驗(yàn)等地面試驗(yàn)外，工程任務(wù)還開展了交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)、著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)、采樣封裝專項試驗(yàn)、全尺寸羽流導(dǎo)流試驗(yàn)、樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)、高超再入及風(fēng)洞試驗(yàn)等20余項地面專項試驗(yàn)。

下面結(jié)合探月三期工程任務(wù)實(shí)施中的7個有代表性的專項驗(yàn)證試驗(yàn)，介紹其地面試驗(yàn)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的帶動性。

2.1 全箭模態(tài)專項試驗(yàn)

全箭模態(tài)專項試驗(yàn)的目的是獲取高精度的全箭振動特性參數(shù)，為箭上控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

探月三期工程研制中，針對該驗(yàn)證需求建造了火箭振動試驗(yàn)塔，用于新一代大型運(yùn)載火箭全箭及部段模態(tài)試驗(yàn)，如圖1所示。該試驗(yàn)可滿足起飛質(zhì)量小于1500 t的大型火箭全箭動特性試驗(yàn)需求，提升了運(yùn)載火箭系統(tǒng)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證能力。

圖1 全箭模態(tài)專項試驗(yàn)Fig.1 Overall modal test of launch vehicle

嫦娥五號探測器和運(yùn)載火箭聯(lián)合開展了模態(tài)試驗(yàn)，取得了高精度全箭振動特性參數(shù)，修正了相應(yīng)模型，為箭上控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)，為長征五號首飛成功奠定了基礎(chǔ)。

2.2 著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)

軟著陸前，探測器一般通過軌控發(fā)動機(jī)進(jìn)行動力下降段減速。由于動力下降過程中涉及到測距、測速、地形識別、導(dǎo)航敏感器的自主導(dǎo)航控制、控制和推進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作等復(fù)雜過程，需要在地面對動力下降段過程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[9]。但是若在地面驗(yàn)證整個動力下降過程，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下幾乎是不可能的，也是沒有必要的。動力下降段著陸器需完成減速、地形識別、避障、懸停及關(guān)機(jī)等關(guān)鍵動作，而懸停段、避障段、緩速下降段中著陸器也包含這些關(guān)鍵動作，綜合考慮經(jīng)費(fèi)、研制進(jìn)度和地面模擬方法的局限性，采用懸停段、避障段、緩速下降段地面試驗(yàn)驗(yàn)證整個動力下降過程是充分必要的。

月面穩(wěn)定、可靠起飛是上升器月面上升、入軌的前提，上升器月面起飛瞬間過程包含復(fù)雜的瞬態(tài)動力學(xué)問題，需要研究起飛平臺傾角、支撐狀態(tài)、連接解鎖特性、發(fā)動機(jī)推力特性等綜合因素對月面上升動力穩(wěn)定性影響，建立耦合動力學(xué)模型，在理論分析的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行月面起飛的地面綜合試驗(yàn)，以對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，并通過月面起飛的地面綜合試驗(yàn)對月面上升關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

參考探月二期工程研制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合月面著陸和上升驗(yàn)證需求，工程任務(wù)中設(shè)計了著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是考核起飛穩(wěn)定性及控制系統(tǒng)交接條件滿足性，考核探測器系統(tǒng)的控制能力，驗(yàn)證上升器對不同起飛初始條件的適應(yīng)能力，綜合演練起飛工作過程，驗(yàn)證起飛程序設(shè)計的正確性。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括驗(yàn)證器和試驗(yàn)場系統(tǒng)，其中，驗(yàn)證器一般包括涉及起飛上升過程的著陸器和上升器，試驗(yàn)場系統(tǒng)一般包括試驗(yàn)架、模擬月表、地面測量、指揮控制和試驗(yàn)保障子系統(tǒng)等組成部分。

探月三期工程研制中，針對該驗(yàn)證需求建設(shè)了大型月球著陸起飛綜合試驗(yàn)場，研制了跨度約100 m、高約110 m的著陸起飛試驗(yàn)塔架等試驗(yàn)設(shè)施。該設(shè)施在高度方向上提供了約70 m的運(yùn)動空間，可提供全物理仿真條件模擬軟著陸和起飛過程，在充分接近真實(shí)情況下考核方案，驗(yàn)證控制、推進(jìn)等分系統(tǒng)間工作的匹配性、可靠性，如圖2所示。

圖2 著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.2 Landing and flying-off comprehensive test

利用建成的大型月球著陸起飛綜合試驗(yàn)場，開展了著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)和著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證了月球重力場下著陸面地形地貌和著陸面力學(xué)參數(shù)對著陸穩(wěn)定性的影響；進(jìn)行了著陸沖擊試驗(yàn)，獲取了器上主要部位的沖擊響應(yīng)，并對單機(jī)力學(xué)環(huán)境條件的正確性進(jìn)行了確認(rèn)。著陸起飛綜合驗(yàn)證試驗(yàn)，主要包括不點(diǎn)火試驗(yàn)和點(diǎn)火試驗(yàn)兩個階段。重點(diǎn)驗(yàn)證了軟著陸過程中安全區(qū)域的識別能力及避障控制性能、綜合控制能力、月面起飛過程的穩(wěn)定性以及月面軟著陸及起飛程序設(shè)計的正確性。同時也摸索、掌握了一系列針對軟著陸的地面驗(yàn)證試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法。

2.3 采樣封裝專項試驗(yàn)

探月三期工程嫦娥五號采用鉆取機(jī)構(gòu)獲取月表以下、最大深度約2 m的樣品；采用機(jī)械臂加末端采樣器的方式實(shí)現(xiàn)月表采樣。通常為了確保樣品保持在目標(biāo)天體表面的特性不受后續(xù)飛行過程的影響，一般均要采取必要的密封手段，即將樣品進(jìn)行初級封裝或整形的樣品包裝密封保存，并將密封的樣品轉(zhuǎn)移到返回艙。在設(shè)計樣品采集、封裝和轉(zhuǎn)移方案時，特別是設(shè)計相應(yīng)的機(jī)構(gòu)時，除了考慮飛行過程經(jīng)歷的力學(xué)、溫度、真空、輻照等環(huán)境條件，還要考慮目標(biāo)天體表面的粉塵、重力、光照、地形和天體表面的地質(zhì)特性等環(huán)境因素對機(jī)構(gòu)設(shè)計的影響，確保相應(yīng)的機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)所經(jīng)歷的環(huán)境以及過程中的不確定因素；需在地面開展充分的采樣封裝專項試驗(yàn)驗(yàn)證。

采樣封裝專項試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證任務(wù)實(shí)施中采樣及封裝過程主要設(shè)備的功能、性能與接口匹配性，以及采樣程序的正確性和合理性。

探月三期工程研制中，針對該驗(yàn)證需求建設(shè)了地外天體采樣封裝任務(wù)試驗(yàn)場。該試驗(yàn)場具備模擬地外天體低重力、復(fù)雜土壤特性、光照環(huán)境、探測器著陸狀態(tài)等條件能力，可滿足月球及后續(xù)深空探測器采樣與封裝試驗(yàn)需求，如圖3所示。

圖3 采樣封裝專項試驗(yàn)Fig.3 Sample collection and packaging test

嫦娥五號開展了采樣封裝專項試驗(yàn)，根據(jù)具體試驗(yàn)?zāi)康暮凸r，試驗(yàn)項目主要包括標(biāo)稱采樣封裝、傾斜姿態(tài)采樣封裝、極端模擬月壤采樣封裝、采樣封裝排故演練等多類試驗(yàn)。重點(diǎn)驗(yàn)證了采樣封裝過程主要設(shè)備的功能、性能與接口匹配性以及采樣程序的正確性和合理性；達(dá)到了程序驗(yàn)證、控制方案驗(yàn)證、設(shè)備驗(yàn)證等目標(biāo)，積累了地外天體采樣過程真實(shí)模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，有力支撐了采樣封裝的系統(tǒng)設(shè)計。

2.4 全尺寸羽流導(dǎo)流專項試驗(yàn)

探測器完成月面探測及采樣任務(wù)后，需要利用發(fā)動機(jī)將上升器從月面推入環(huán)月軌道。由于上升器與著陸器或上升器發(fā)射平臺距離較近，因此兩級分離期間將在著陸器或上升器發(fā)射平臺的頂板和上升器的底部產(chǎn)生很高的壓力和熱流，直至兩器之間充分分離，即發(fā)動機(jī)羽流能自由擴(kuò)散，沒有來自著陸器或上升器發(fā)射平臺的羽流反射。這種在兩級之間有限區(qū)域內(nèi)由發(fā)動機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的熱效應(yīng)，需要開展上升器起飛羽流影響試驗(yàn)驗(yàn)證。

全尺寸羽流導(dǎo)流專項試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證上升器起飛發(fā)動機(jī)與羽流導(dǎo)流裝置的相容性，驗(yàn)證典型工況條件下起飛發(fā)動機(jī)羽流對上升器、著陸器的綜合力、熱效應(yīng)，考核羽流熱防護(hù)材料性能及防護(hù)效果。

全尺寸羽流導(dǎo)流試驗(yàn)系統(tǒng)由驗(yàn)證器和試驗(yàn)場組成。試驗(yàn)中上升驗(yàn)證器與著陸驗(yàn)證器安裝于高模臺真空艙內(nèi)，其中上升驗(yàn)證器通過轉(zhuǎn)接裝置固定垂直安裝在承力架上，著陸驗(yàn)證器被安裝于位姿調(diào)整裝置上，并可與其一起運(yùn)動。針對該驗(yàn)證需求建設(shè)了全尺寸羽流導(dǎo)流試驗(yàn)場，主要用于完成3000 N以下推力發(fā)動機(jī)的羽流試驗(yàn)、空間飛行器及其部組件高真空環(huán)境試驗(yàn)、推進(jìn)劑高真空蒸發(fā)試驗(yàn)等項目，如圖4所示。

圖4 全尺寸羽流導(dǎo)流專項試驗(yàn)Fig.4 Full size conduction test

通過開展全尺寸羽流導(dǎo)流專項試驗(yàn)，獲取了發(fā)動機(jī)羽流對上升器、著陸器的綜合力和熱效應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)與羽流導(dǎo)流裝置的相容性。同時也提升了羽流擾動力測量、真空壓力場測量、發(fā)動機(jī)燃?xì)饬骷げy量及低溫下測量設(shè)備溫度控制等方面的技術(shù)水平。

2.5 交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)

交會對接過程的重點(diǎn)難點(diǎn)是導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)。交會對接過程中，一般情況下導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的主要任務(wù)是完成上升器和軌道器的軌道和姿態(tài)控制、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交會和近程控制，包括捕獲、跟蹤與測量、近程引導(dǎo)直至軌道器接近上升器并滿足對接條件。近程引導(dǎo)與控制一般要完全依靠上升器和軌道器自主完成，除了控制計算機(jī)的自主能力提高、制導(dǎo)控制方法的精度要求需滿足后續(xù)對接等任務(wù)需求，最重要的技術(shù)難點(diǎn)就是相對測量，即通過上升器和軌道器攜帶的敏感器測量兩個飛行器之間的運(yùn)動參數(shù)。目前主要的相對測量技術(shù)主要有微波測距測速、激光測距測速和光學(xué)成像測距測速等，這些測量手段的作用距離、測量精度和對環(huán)境的適應(yīng)性等存在差異，需根據(jù)任務(wù)需要配置一種或多種敏感器，共同完成近距離的相對測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近程自主交會控制。

交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證交會對接過程中探測器系統(tǒng)的控制性能，驗(yàn)證控制系統(tǒng)、對接/樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的匹配性，驗(yàn)證交會對接飛行程序設(shè)計的正確性。

交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括驗(yàn)證器和試驗(yàn)場系統(tǒng)，其中，驗(yàn)證器一般為模擬的軌道器、返回器和上升器，由交會對接端面、器上產(chǎn)品及其模擬件、器上仿真控制系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)場系統(tǒng)一般包括大型超平支撐氣浮平臺及其控制系統(tǒng)、高精度基準(zhǔn)、可視化演示、地面總控和現(xiàn)場監(jiān)視等組成部分。

交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)采用在大型超平支撐平臺上的2臺六自由度氣浮臺(分別模擬軌道器和上升器)，模擬微重力環(huán)境下軌道器和上升器的相對位置與姿態(tài)運(yùn)動。大型超平支撐平臺由200塊大理石組成，每塊大理石都可以調(diào)整，構(gòu)成平面度優(yōu)于0.63 mm的30 m×40 m(1200 m2)的平面，是六自由度氣浮臺平面運(yùn)動的基準(zhǔn)平面和承載平面，平臺負(fù)載能力可達(dá)10 000 kg，具備了調(diào)平到水平度角秒量級、臺階差微米量級的水平。為此，探月三期工程研制中，針對該驗(yàn)證需求建造了交會對接全物理試驗(yàn)平臺，采用六自由度氣浮臺等設(shè)施實(shí)現(xiàn)了嫦娥五號探測器交會對接與樣品轉(zhuǎn)移過程的全物理仿真驗(yàn)證，如圖5所示。

通過開展交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)，主要針對近程交會接近段控制、對接抓捕、撤離控制和交會對接全過程開展了地面驗(yàn)證，包含正常及拉偏條件模擬工況，重點(diǎn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)、對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在整個交會對接和樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)中的時序協(xié)調(diào)性和設(shè)計正確性，為控制系統(tǒng)、飛行時序等設(shè)計提供了依據(jù)。

圖5 交會對接與樣品轉(zhuǎn)移專項試驗(yàn)Fig.5 Rendezvous-docking and sample transfer test

2.6 樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證專項試驗(yàn)

當(dāng)兩個飛行器間的相對關(guān)系滿足對接或樣品轉(zhuǎn)移初始條件后，需通過對接機(jī)構(gòu)將兩個飛行器可靠連接在一起，通過樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將樣品和容器從一個飛行器轉(zhuǎn)移到另外一個飛行器中。

樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)相關(guān)產(chǎn)品之間接口的正確性、匹配性、協(xié)調(diào)性。

樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)主要由對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)整機(jī)特性測試臺、對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主動件、被動件、密封封裝裝置、樣品艙、對接與樣品轉(zhuǎn)移綜合管理單元和綜合測試設(shè)備等組成。

樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)利用對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)整機(jī)特性測試臺，進(jìn)行垂直方向上的樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)。為此，探月三期工程研制中，針對該驗(yàn)證需求建設(shè)了輕小型對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的地面驗(yàn)證系統(tǒng)，采用等效接口驗(yàn)證方法，模擬三器間相對12自由度的位置姿態(tài)、在軌轉(zhuǎn)移時樣品容器的失重狀態(tài)和高低溫環(huán)境。

樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)共進(jìn)行了正常、位置拉偏、載荷拉偏及故障條件下等多個工況驗(yàn)證。通過樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了正常情況下主動件中心與樣品艙中心位置偏差、負(fù)載條件下的樣品轉(zhuǎn)移能力，驗(yàn)證了拉偏情況下主動件中心與樣品艙中心位置拉偏、負(fù)載條件下的樣品轉(zhuǎn)移能力；模擬了各產(chǎn)品在軌可能出現(xiàn)的故障情況，對各類故障進(jìn)行了演練；突破了地面條件下多維、多應(yīng)力、高精度的對接和樣品轉(zhuǎn)移綜合驗(yàn)證技術(shù)；解決了失重模擬、高精度運(yùn)動與空間環(huán)境耦合下的驗(yàn)證難題。同時建立了對接與樣品轉(zhuǎn)移的多學(xué)科協(xié)同工作平臺，為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計和性能驗(yàn)證提供完整全面的仿真分析手段。

2.7 高超再入地面風(fēng)洞專項試驗(yàn)

探月三期作為我國首個地外天體采樣返回的任務(wù)，工程采用了跳躍式再入方式，具有再入速度高、再入航程長、峰值熱流密度高、總加熱時間長和總加熱量大等特點(diǎn)，需要同時解決以近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層、躍出大氣層及二次再入、長航程精確返回預(yù)定落區(qū)等問題，對我國再入返回技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[6]。

探測器高速再入地球時，氣動外形減速是降低進(jìn)入速度的主要手段。氣動減速過程中需要兼顧氣動熱、氣動力、落點(diǎn)散布等約束。為了獲取返回器在再入大氣過程中的氣動力特性數(shù)據(jù)以及熱環(huán)境數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證燒蝕材料的燒蝕特性，需要開展大量的氣動、燒蝕試驗(yàn)工作，確保研究采用的方法以及模型的正確性，具體包括風(fēng)洞測力試驗(yàn)、風(fēng)洞測壓試驗(yàn)、風(fēng)洞測熱試驗(yàn)、彈道打靶、自由飛試驗(yàn)、風(fēng)洞燒蝕試驗(yàn)等。

針對探月三期工程高速再入返回氣動設(shè)計與驗(yàn)證需求，新建了高頻感應(yīng)加熱風(fēng)洞、高焓激波風(fēng)洞、低密度風(fēng)洞系統(tǒng)，開展了多個風(fēng)洞專項試驗(yàn)。通過飛行試驗(yàn)器在軌飛行，驗(yàn)證、突破了高速再入返回氣動設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)；探索出一套適用于第二宇宙速度再入返回器研制的氣動分析與驗(yàn)證途徑方法；牽引發(fā)展的抗沖刷熱流傳感器制作工藝、高精度測力試驗(yàn)技術(shù)等。該系統(tǒng)可應(yīng)用于其它復(fù)雜外形高超聲速飛行器測力、測熱試驗(yàn)中。

通過高超再入地面風(fēng)洞專項試驗(yàn)，獲取了第二宇宙速度跳躍式再入氣動環(huán)境參數(shù)，提升了預(yù)測方法的精度以及速域、空域的適用范圍。

3 結(jié)束語

探月工程的實(shí)施，用有限的探測次數(shù)、較少的投入，實(shí)現(xiàn)了中國航天從地球走向深空的跨越，實(shí)現(xiàn)了中華民族的千年奔月夢想。月球環(huán)繞和著陸巡視探測的任務(wù)目標(biāo)已經(jīng)圓滿完成，月面采樣返回的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，大幅度地提升了中國空間科學(xué)的研究水平和技術(shù)能力；帶動了大型運(yùn)載火箭、深空測控網(wǎng)的建造，提升了地面高水平專項驗(yàn)證設(shè)施研制的能力；拓展了航天技術(shù)認(rèn)知的深度和廣度，提升了基礎(chǔ)理論水平的發(fā)展，取得了技術(shù)成果和專利；積累了一套完整的航天重大工程組織管理的經(jīng)驗(yàn)和方法，為后續(xù)深空探測的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文面向未來深空探測任務(wù)發(fā)展前景，重點(diǎn)總結(jié)分析了探月工程三期牽引發(fā)展的運(yùn)載火箭和探測器系統(tǒng)7項典型大型地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)建設(shè)和應(yīng)用情況。所形成的技術(shù)和設(shè)施成果可針對深空探測任務(wù)特別是環(huán)繞、著陸、采樣返回等任務(wù)實(shí)施全周期內(nèi)的各種環(huán)境要求開展地面驗(yàn)證試驗(yàn)工作，可驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計方案、工藝方案的正確性和合理性，提前暴露產(chǎn)品在制造質(zhì)量、材料、工藝方面存在的缺陷，提高火箭發(fā)射和探測器在軌工作的可靠性，確保探測任務(wù)取得圓滿成功、獲得第一手有效科學(xué)探測數(shù)據(jù)。

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