飛天攬月！嫦娥五號奔月取壤，實現中國航天史上五個“首次”

賈璇 王秉陽

11月24日，嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場成功發射。

嫦娥五號正在執行的是我國探月工程第六次任務，計劃實現月面自動采樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究。

根據日、地、月的運動關系，以及工程各種約束條件，嫦娥五號任務的總周期是22至23天，各環節環環相扣。

從嫦娥五號發射入軌到返回器再入回收，一共要經歷11個飛行階段：發射入軌階段、地月轉移階段、近月制動階段、環月飛行階段、著陸下降階段、月面工作階段、月面上升階段、交會對接與樣品轉移階段、環月等待階段、月地轉移階段和再入回收階段。

截至12月10日，嫦娥五號圓滿完成第8個階段的任務，正式踏上回家之旅。

嫦娥五號遠赴月球打包“土特產”的難點是什么？如何挖土和打包？怎么帶回來？帶著這些問題，《中國經濟周刊》記者分別采訪了中國航天科技集團有限公司五院（以下簡稱“五院”）和中國航天科技集團有限公司八院（以下簡稱“八院”）的相關負責人。

在月球挖土有多難？

作為中國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰，嫦娥五號將實現中國航天史上五個“首次”：首次地外天體的采樣與封裝，首次地外天體的起飛，首次月球軌道交會對接，首次攜帶樣品高速再入地球，首次樣品的存儲、分析和研究。

11月30日，嫦娥五號任務飛行控制團隊按計劃實施嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離。凌晨4時40分，在科技人員精確控制下，嫦娥五號探測器組合體順利分離。

12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區，并傳回著陸影像圖。

成功著陸后，著陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，采集月球樣品，這個過程被網友稱為“挖土”。

作為嫦娥五號探測任務的核心關鍵之一，月球表面自動采樣封裝是任務中最引人注目的一個環節。

嫦娥五號本次任務是，采集約2千克月球樣本并帶回地球，這是1975年以來人類首次開展此類月球探測采樣活動。

為了完成此項任務，五院的設計師們采用表鉆結合、多點采樣的方式，精心設計了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。

記者從五院總體設計部獲悉，嫦娥五號隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將科學分工，精密配合，采取深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式，采集約2千克月壤并進行密封封裝，經月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移和再入回收等過程將月球樣品送回地球。

首次月面采樣面臨多重困難。

記者了解到，首先采樣裝置為全新研制，技術新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束;其次，采樣期間面臨月面高溫的工作環境，同時采樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。此外，著陸器著陸后不能移動，鉆取采樣裝置正下方的地面到底是松軟的土壤，還是堅硬的巖石，都具有不確定性，也都影響著采樣計劃的順利完成。

為確保首次月面采樣任務順利完成，五院研制團隊多措并舉，不僅對月面采樣過程進行了聯合設計分析，確定了先鉆后表、器地協同的工作程序，以及器上操作、地面測控和地面物理驗證三位一體的飛控模式，而且還設計了遙控工作、預編程工作和半自主工作3種工作模式，確保采樣過程的可靠性。此外，各單機還開展了相應的環境試驗和專項試驗，子系統開展了鉆取、表取和密封封裝專項試驗，驗證了單機及子系統的功能性能。

通過幾百次試驗，數十種工況模擬，多次“三位一體”模式的采樣封裝演練，研制團隊想方設法，全力以赴，確保了我國首次月面自動采樣任務順利完成。

月壤打包完成！ 人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉移

據國家航天局消息，經過約19小時的月面工作， 嫦娥五號于12月2日22時，順利完成月面自動采樣，按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

12月3日23 時10 分，嫦娥五號上升器 3000N發動機工作約6分鐘，成功將攜帶樣品的上升器送入到近月點環月軌道。

月面上升階段完成后，嫦娥五號需要先實現人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉移，它將利用軌道器上的對接與樣品轉移機構，將采集的月球土壤從上升器轉運到返回艙中。

據八院相關人士介紹，雖同樣名為“交會對接”，但嫦娥五號采用的對接方式與我們所熟悉的載人航天采用的對接方式卻有很大的區別。

與近地軌道的任務不同，月球探測對探測器的質量和空間有嚴苛限制，嫦娥五號的“抱爪式”對接機構必須做到小而精，其重量要減小到“周邊式”對接機構的十五分之一。同時，它還要具備樣品容器捕獲、自動轉移功能，重量更輕、精度更高、過程更穩。

“所謂的抱爪，其實形象地說，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇介紹。探測器采用的對接機構就是由3套K形抱爪構成的，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。

“抱爪機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創。”八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹說。

捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現卻遠遠沒有那么簡單。

“月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。”對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲解釋，“對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此我們做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。”

據介紹，嫦娥五號“對接與樣品轉移機構”屬于一個分系統，該分系統包括軌道器“對接與樣品轉移機構（主動件）”，和上升器“對接與樣品轉移機構（被動件）”。

上升器從月球表面起飛后，進入交會對接階段。分系統負責完成軌道器與上升器之間的對接與保持，并負責完成樣品容器在軌自動轉移，為樣品返回做準備。

影響月球土壤“打包”成敗的關鍵因素是對接機構中對接環的運動位置精度和對中性。

據八院149廠（以下簡稱“149”廠）特級技師王曙群介紹，此次對接樣品轉移機構體積小、結構復雜，但功能卻一樣都沒少，對裝配中的測量數量、精度等要求更高。

“在通常情況下，我們裝配的時候會限制產品在6個方面的自由度，確保月壤在轉移過程中的結構穩定，但是試驗中，卻發生了產品轉移‘卡殼的現象。” 149廠技師吳駿說。

隨后，團隊對整個系統的傳送運動軌跡和路徑進行了仔細分析，提出將限位減少到兩個自由度，即左右和旋轉的自由度。

同時，將原本圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”，在確保產品裝配精度要求的情況下，使轉移機構在運作的過程中不走偏，并且流暢地完成每一個指令和動作。

通過實踐證實，這個方法大大提高了轉移機構的運動位置精度，使各個位置的精度誤差均不大于5微米。

按照計劃，交會對接與樣品轉移階段完成后，嫦娥五號帶著2千克月球土將進入環月等待階段，踏上回歸之路。

明星團隊再出手，90后成主操作手

據介紹，嫦娥五號“對接與樣品轉移機構”屬于一個分系統，該分系統包括軌道器“對接與樣品轉移機構（主動件）”，和上升器“對接與樣品轉移機構（被動件）”。

上升器從月球表面起飛后，進入交會對接階段。分系統負責完成軌道器與上升器之間的對接與保持，并負責完成樣品容器在軌自動轉移，為樣品返回做準備。

此次負責嫦娥五號對接任務的團隊，可謂是明星團隊。

11月24日，在2020年全國勞動模范和先進工作者表彰大會上，149廠特級技師王曙群被中宣部、全國總工會授予2020年“最美職工”，成為今年上海唯一的當選者。

據了解，王曙群及其團隊潛心16年攻克技術難關，保障“太空之吻”順利完成，即神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器實現中國載人航天工程首次空間交會對接試驗，被稱為“大國工匠”。

在本次嫦娥五號任務中，王曙群起用團隊中的骨干力量，以“特級技師+青年技能人員”合力參與總裝研制的方法，實現團隊“人才復制”。

此次，作為團隊主操作手的吳駿，自2011年初參加工作后，就一直在團隊中成長，如今已是新生代“90后”技師的佼佼者。

據149廠副總經理陸海濱介紹，要想從一名普通的總裝人員成長為型號研制的主操作手，先后需要經歷零部件裝配、單機裝配、部套裝配（分三級）、產品總裝等6個過程。一般需要5年、8年，甚至是10年。