解析：怎樣在月球軌道“交貨”

文 / 趙聰

交會對接，顧名思義，軌返組合體和上升器，要先進行交會，待距離為0時，再進行對接。整個過程可看作一次送貨，先引導(dǎo)“兩人”接頭，再完成貨品交接。

第一階段

引路：最初，軌返組合體和上升器相距甚遠，要想實現(xiàn)對接，首先得找到對方。這就需要彼此建立聯(lián)系，告知對方位置。在引導(dǎo)下，軌返組合體加速去尋找上升器，兩者順利接上頭。

交會段分為遠程導(dǎo)引段和近程自主控制段。

從上升器進入交會對接初始軌道，到上升器位于軌返組合體前方約50公里、上方10公里左右的位置，為遠程導(dǎo)引段，時長約51個小時。

從上升器位于軌返組合體前方約50公里、上方10公里左右的位置，到上升器開始被軌道器的對接機構(gòu)捕獲，為近程自主控制段，時長不超過3.5個小時。在該階段，上升器與軌返組合體的距離從50公里到5公里、1公里，再到100米，直到兩器距離為0。

▲ 引路

▲ 接頭

技術(shù)難點：在遠程導(dǎo)引段，需要對嫦娥五號軌返組合體和上升器的飛行狀態(tài)進行跟蹤、測量和控制。北京航天飛行控制中心副主任賀軍介紹，這對深空測控提出兩個挑戰(zhàn)，一是測控的精度要求更高，必須做到“精測妙控”；二是將重要動作安排在月球正面進行，避免信號遮擋。

探月三期工程中建立起來的深空測控網(wǎng)發(fā)揮了重要作用。為了成功實施嫦娥五號任務(wù)，我國在最西邊的新疆喀什深空站建設(shè)了4座35米口徑測控天線，在東北地區(qū)的黑龍江佳木斯深空站建設(shè)了66米口徑全可動測控天線，在南美洲國家阿根廷的薩帕拉深空站建設(shè)了35米口徑測控天線。

2020年12月6日凌晨，交會對接時，北京航天飛行控制中心的現(xiàn)場不斷傳來這些地區(qū)的測控數(shù)據(jù)。它們?yōu)殒隙鹞逄栱樌瓿山粫影l(fā)揮了重要作用。

交會對接時，距離越近，地面深空測控網(wǎng)的支持難度就越大。為此，嫦娥五號應(yīng)用了多個“黑科技”測控儀器，確保軌返組合體和上升器在近程交會時，可以獨立自主地進行導(dǎo)航。

王瓊介紹，“黑科技”測控儀器主要包括交會對接光學(xué)成像敏感器、激光雷達和微波雷達。3種儀器可通過光學(xué)、激光和微波3種測量手段互相配合，智能自主地給軌返組合體和上升器“引路”。

第二階段

接頭：距離為0時，軌返組合體和上升器就正式面對面了。雙方握手、互認，完成對接。

從軌道器的對接機構(gòu)捕獲上升器，到12月6日5時42分兩器對接完成，時長不超過5分鐘。

技術(shù)難點：嫦娥五號任務(wù)開始論證時，科研人員曾想過沿用載人航天使用的對撞式對接機構(gòu)（學(xué)名：異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)）。該機構(gòu)在對接后可形成一個80厘米左右的通道，方便航天員在其中穿行。

但考慮到嫦娥五號軌返組合體和上升器重量懸殊，前者比后者重很多，對撞過去，軌返組合體可能會把上升器撞飛。因此，在嫦娥五號對接方式上，科研人員轉(zhuǎn)變了思路。

來自航天科技集團的嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號采用了抱爪式對接機構(gòu)。對接機構(gòu)分為主動件和被動件兩部分，主動件安裝在軌道器上，主要是3套“K”形抱爪，被動件安裝在上升器上，主要是3根連桿。

抱爪式捕獲就像用手握棍。捕獲時，3套“K”形抱爪——好比6根手指兩兩組合，形成3對爪——只要對準連接面上的3根連桿，抱爪一一收緊，就可以讓兩器牢牢抱緊。

“對接全步驟要在21秒內(nèi)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(yù)案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。”嫦娥五號對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負責(zé)人劉仲說。

第三階段

交貨：對接完成后，軌返組合體和上升器開始“交接”月球樣品。

12月6日6時12分，上升器將裝有月球樣品的“罐子”成功轉(zhuǎn)移到了軌返組合體中的返回器上，樣品轉(zhuǎn)移過程持續(xù)30分鐘。

▲ 交貨

12月6日12時35分，完成樣品轉(zhuǎn)移使命的軌返組合體和上升器成功分離。隨后，軌返組合體進入環(huán)月等待階段，擇機返回地球。

技術(shù)難點：軌道器和上升器對接完成后，還要進行一個重要動作，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回器中。

“連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)，采用了一個非常巧妙的設(shè)計。”嫦娥五號軌道器技術(shù)副總負責(zé)人胡震宇介紹，軌道器上的轉(zhuǎn)移機構(gòu)上有兩套倒三角形棘爪，裝有月球樣品的容器上有棘齒。棘爪卡住棘齒，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器中。這個構(gòu)型很像我們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，并且只能前進不能后退。

在地面，研制團隊先后進行了超過1000次樣品轉(zhuǎn)移測試，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉(zhuǎn)移過程萬無一失。

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為什么要在月球軌道“交接”

中國實施嫦娥五號任務(wù)之前，圍繞月球采樣返回的路徑，20世紀的人類給出了兩種答案。一種是美國模式，航天器在月球軌道上進行交會對接，航天員帶著月球樣品一起轉(zhuǎn)移，然后再返回地球；一種是蘇聯(lián)模式，航天器從月面起飛，跳過交會對接和樣品轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，直接飛回地球。兩者相比，蘇聯(lián)模式的技術(shù)難度更小。

如今，我國通過嫦娥五號任務(wù)首次采集月球樣品，在返回時，選擇了先在距離地球38萬公里的月球軌道實施交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，再返回地球。這也是人類首次實施月球軌道的無人交會對接和樣品轉(zhuǎn)移。

為什么選擇了技術(shù)難度更大的方式？國家航天局探月與航天工程中心三期部副部長王瓊說：“（這樣做）一是因為采用月球軌道交會對接的方式，可以提高月球樣品的采樣量；另一個原因是為將來載人登月等后續(xù)任務(wù)做技術(shù)鋪墊。”

在蘇聯(lián)3次月球采樣任務(wù)中，采樣量最大的是月球24號任務(wù)。它采用月面起飛直接返回方案，上升器需要攜帶返回艙以及推進艙，從月球經(jīng)長途跋涉回到地球。而嫦娥五號任務(wù)中，上升器只需攜帶樣品到達月球軌道即可，那里有貨運量更大的“專車”接送。顯然，兩者相比，經(jīng)過月球軌道交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，我們可以帶回更多的月球樣品。

中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁介紹，早在10年前，我國論證嫦娥五號任務(wù)方案時，就確定了包括月球軌道交會對接和樣品轉(zhuǎn)移階段的方案。“實際上，如果只是為了完成采樣返回任務(wù)，嫦娥五號系統(tǒng)可以做得簡單很多。但考慮到未來的載人登月需求，我們確定了目前的方案，目的在于進行更多的技術(shù)驗證。”吳偉仁接受記者采訪時說。