嫦娥五号完美落月,背后黑科技令人惊叹

2020-12-02 18:15:17 1366

2020年12月1日,在经历了为期一周的地月转移、近月制动、环月飞行之旅后,“嫦娥五号”探测器的着陆上升组合体成功实施在月面预定区域的软着陆。历经主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落段,这稳稳的一落看似轻盈轻松,却蕴藏着“嫦娥五号”探测器抓总研制单位航天中国科技集团五院的众多智慧和积淀。

三维模拟动画图。 北京航天飞行控制中心 供图

GNC高精度关键技术

“嫦娥五号”任务的落月和近月制动一样,都是只有一次机会,必须一次成功。由于涉及采样后上升器的月面起飞,所以,“嫦娥五号”落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择“发射场”的过程。相较于“嫦娥三号”和“嫦娥四号”,“嫦娥五号”对于着陆点的位置精度和平整度方面的高要求是空前的,需要一个着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑,坡度要符合任务要求。可以说,落月的过程就是边飞行边找寻落点,在15分钟内完成约600公里外的全程自主跳伞。

为了实现“选址正确,落得准确”,“嫦娥五号”采用了五院502所已经在“嫦娥三号”和“嫦娥四号”上应用的“粗精接力避障”的方式,即502所研制的制导导航与控制(GNC)系统的指挥下,着陆器和上升器组合体先是大推力反向制动快速减速,然后快速调整姿态并对预定落区地形进行拍照识别,避开大的障碍,实现“粗避障”,然后组合体在飞到距离月面100米时悬停,并再次对选定区域进行拍照,实现“精避障”,之后再斜向下飘向选定的着陆点,在移动到着陆点正上方之后开始竖直下降,到距离月面较近时关闭发动机,然后利用着陆腿的缓冲实现软着陆。

着陆缓冲机构显身手

落月的关键在于平稳二字。“嫦娥五号”着陆上升组合体在落月时,撞击月面会形成较大的冲击载荷,必须设计相应的着陆缓冲系统,吸收着陆的冲击载荷,保证探测器不翻倒、不陷落,这是落月的技术难题之一。着陆缓冲机构,通俗地说就是“嫦娥五号”的“腿”。

这四条缓冲、支撑一体化的“腿”可不一般,它们来自于机构分系统团队的精心设计、巧手研制,更来源于“嫦娥三号”和“嫦娥四号”的完美基因。着陆缓冲机构具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案,保证了收拢简单、展开可靠,解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面的问题。

与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比,由于任务难度增加,“嫦娥五号”任务的着陆缓冲能力要求提高了30%,但机构重量指标却减少了5%。这为总体设计部的团队成员带来了不小的难题。面临减重的难关,研制团队反复迭代,每次修改完设计,讨论时一旦发现新的减重突破口,又毫不犹豫地再次推翻设计、继续修改,终成功满足了设计指标,确保了“嫦娥五号”稳定可靠地完成与月球的亲密拥抱。

经济的“外脑”“外眼”设计

在“嫦娥五号”的落月过程中还有两个精妙的设计。一是虽然表面上看是着陆器“背着”上升器软着陆到了月面上,但实际上整个落月的过程着陆器GNC系统的工作和智能自主的指挥过程都是借助了“外脑”和“外眼”,这个“外脑”和“外眼”分别就是上升器月面起飞时要用的“强大脑”中央控制计算机,和通过“看星星”确定自己姿态的星敏感器,这是设计人员根据“上升器全程陪同着陆器”的实际想出的妙招,既节约了成本又减轻了重量。

二是由于距离月面较近时主发动机会激起的月尘污染星敏感器,从而影响上升器月面起飞,所以研制团队专门设计了盖子,在距离月面一定的高度时把星敏感器的镜头盖起来,团队称之为“天黑请闭眼”,待落月之后月尘散去再通知星敏感器把盖子打开,这一睁一闭之间,着陆器和上升器组合体已经顺利着陆在月球之上了。

定向天线“一线牵”

落月牵动着国人的心。38万公里外的“嫦娥五号”正经历着什么样的考验?所有的讯息,都需通过着陆上升组合体的一口小小的“锅”来实时传送遥测数据。这个“小锅”就是定向天线——把探测器上的数据传输到地面的发射转换装置。

从月球把数据发送回地球,通信的距离相比地面手机通信远了几万倍,这就需要采取特殊的对地定向天线来发送数据。五院总体设计部设计的定向天线包含了反射面天线辐射器、双轴驱动机构。双轴驱动机构就像人的肩关节、肘关节,驱动反射天线辐射器灵活地转动,确保“小锅”始终对准地面。为了使整器减重,此款反射面天线轻量化设计,相比同类天线减重40%以上,既轻便又可靠。