嫦娥五號“繞、落、回”背后的科技力量

詹媛 李喬

12月19日，嫦娥五號從月球挖的“土”正式移交了相關科研單位，我國首次地外天體樣品儲存和研究工作拉開序幕?；仡櫞舜捂隙鹞逄栐虑蛲凇巴痢?，自11月24日，嫦娥五號發(fā)射入軌，經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移、近月制動、在軌分離、平穩(wěn)落月、鉆表取樣、月面起飛、交接對接及樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收等階段。各環(huán)節(jié)順利進行，離不開航天科研人員的科技保障。日前，筆者前往中國航天科工集團二院，一探該院多種保障嫦娥五號順利“繞、落、回”背后的科技力量。

測量雷達“緊盯”火箭飛行

在長征五號運載火箭帶著焰尾拔地而起的幾分鐘內(nèi)，該院23所兩部固定式脈沖測量雷達快速采集著火箭的飛行信息，確保指控中心能第一時間掌握全局，做好安全控制。

這是雷達測量的第一棒。從點火的那一刻開始，23所探測雷達像兩雙“鷹眼”，緊盯火箭飛行。據(jù)相關科研人員介紹，這兩部測量雷達主要用于運載火箭發(fā)射上升段的外彈道測量，為發(fā)射場指控中心實時提供火箭距離、方位、俯仰等精確坐標信息和徑向速度數(shù)據(jù)，一旦火箭飛行出現(xiàn)偏移軌道的狀況，即刻就能發(fā)現(xiàn)。

因為不受雨雪臺風等天氣因素影響，在火箭飛行觀測的初始階段，它們扛起了“大梁”。據(jù)介紹，這種測量雷達先后圓滿完成長征七號、長征五號首飛等數(shù)十次飛行任務，為嫦娥五號飛行保駕工作奠定扎實基礎。

聲表面波濾波器讓“嫦娥”更“耳聰”

在此次任務中，該院23所還提供了另外一個“神器”——自主研發(fā)的聲表面波濾波器，它們同時安裝在嫦娥五號及長征五號火箭中，主要應用在測控、應答機等分系統(tǒng)，全力保障嫦娥五號信號接收、過濾雜波，以及各分系統(tǒng)信號接收、處理。

“航天器發(fā)射中一旦有了信號干擾，地面接收到的信息就好比接聽串了線的電話?！毕嚓P人員介紹說，聲表面波濾波器能夠輕松過濾掉“高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號以及各類寄生雜波干擾”等各種干擾信號，保證發(fā)射場指控中心可以清晰接收準確信號，“相當于讓‘嫦娥更‘耳聰”。

據(jù)了解，為了濾除無用信號，更好助力嫦娥五號太空觀測，確保與地面中心的信號暢通，23所對每一個濾波器都精雕細琢，聲表濾波器的最細線條寬度達到0.3微米，相當于頭發(fā)絲直徑的1/200，每一個合格的高可靠性聲表面波器件，都要在高倍顯微鏡下“過關斬將”并至少經(jīng)歷3次超聲波或等離子清洗，才能保證元器件的可靠性。

晶體元器件穩(wěn)住探月“脈搏”

嫦娥五號的頻率信號如同人體的脈搏，脈搏的穩(wěn)定是它穩(wěn)定正常工作的前提。

二院203所研制生產(chǎn)的數(shù)百只自主可控晶體元器件，作為嫦娥五號中電子設備的心臟，牢牢穩(wěn)住嫦娥飛行的“脈搏”。包括晶體振蕩器、石英諧振器等在內(nèi)的多種型號晶體元器件為嫦娥五號的發(fā)射、測控、在軌飛行、采樣、返回等提供了穩(wěn)定、可靠的頻率信號。

據(jù)介紹，203所研制生產(chǎn)的某型高性能時鐘晶體振蕩器，可以說是“功勛”產(chǎn)品，此前已大量運用在探月工程中。此次，在嫦娥五號任務中，它再次成為多面手，從充當“千里眼”和“順風耳”的通信設備、控制嫦娥精準著陸的控制系統(tǒng)，到拍攝“廣寒宮”的光學電子設備、控制嫦娥采樣返回的控制系統(tǒng)，處處都有它忙碌的身影，全力保障嫦娥五號在遙遠的太空中“控得住”“采好樣”“順利返回”。

203所為嫦娥系列研制的抗沖擊溫補晶體振蕩器，具有頻率準確、耐受沖擊的特點。此次嫦娥五號使用了數(shù)只這樣高精度的抗沖擊溫補晶體振蕩器，這些“神器”都是處于“關鍵崗位”，它們的輸出信號頻譜干凈，為嫦娥五號衛(wèi)星信標機提供精準信號，保證“嫦娥”平安回家。

另一型高精度溫補晶體振蕩器，是頻率控制的“大咖”，它可以輸出更加精準穩(wěn)定的頻率信號。經(jīng)過進一步設計和工藝攻關后，能夠大幅提高嫦娥五號的性能指標、可靠性、頻率穩(wěn)定度，溫度工作范圍提高了近一倍，并具有良好的環(huán)境適應性。

微波雷達做“嫦娥”銳利的“眼睛”

依托首次月壤采樣返回任務，二院25所交會對接微波雷達首次實現(xiàn)月球軌道應用。

25所自主研制的月球軌道交會對接微波雷達，是實現(xiàn)月球軌道交會對接和月壤轉(zhuǎn)移的關鍵設備，用于嫦娥五號軌道器和上升器之間相對位置與相對姿態(tài)的精確測量，同時實現(xiàn)雙向空空通信，就像互相能看見的銳利“眼睛”，引導兩個航天器最終實現(xiàn)月球軌道交會對接，保證月壤采樣安全轉(zhuǎn)移。

不同于地球軌道交會對接，微波雷達在月球軌道交會對接是遠距離測量的唯一手段，也是保證上升器在環(huán)月軌道和軌道器對接并把月壤樣品轉(zhuǎn)移到軌道器的關鍵。

火箭發(fā)射后，微波雷達隨嫦娥五號探測器飛行約7天到達月球軌道，隨后雷達主機及天線隨軌道器與返回器形成的軌返組合體環(huán)月飛行，應答機主機及應答機天線隨著陸器與上升器落月完成月壤采樣。之后上升器從月面起飛進入環(huán)月軌道，開始月球軌道交會對接。微波雷達在交會對接階段工作，從約100km處開機工作，為導航控制分系統(tǒng)提供軌道器與上升器間的相對運動參數(shù)，同時進行雙向空空通信，直至對接機構捕獲鎖定上升器，將上升器中的月壤樣品和容器轉(zhuǎn)移到返回器。

搬運外骨骼輕松抱“嫦娥”回家

當嫦娥五號返回器在預定地點著陸后，該院206所搬運外骨骼助力回收大隊成功搜救返回器。

據(jù)介紹，這個搬運外骨骼包含上肢助力模塊和下肢助力模塊，負載能力達50公斤，通過電動直驅(qū)助力模塊及智能步態(tài)分析算法，配合人體上下肢關節(jié)發(fā)力，降低人體能耗，同時為穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力，在負重搬運機動時可省力約60%，幫助穿戴者承擔更大載荷，能夠更輕松地抱“嫦娥”回家。

此次任務中，兩名身穿外骨骼的搜救回收隊員攜帶搜救設備從直升機降落點快速機動至返回器著陸點，并在返回器旁插上一面鮮艷的五星紅旗。與此同時，搬運外骨骼還協(xié)助搜救回收大隊在返回器周邊快速搭建應急通信、照明及電力保障體系，確保搜救回收任務快速、安全、高效完成，為整個嫦娥五號探月任務收官畫上圓滿句號。