嫦娥奔月的“陜西制造”

文/梁芝芳（本刊記者）

嫦娥奔月的“陜西制造”

文/梁芝芳（本刊記者）

從繞月到落月，中國探月工程僅用了6年。在嫦娥三號這一我國航天史上的里程碑背后，陜西科技提供了多項有力的技術(shù)支持，其中有不少還是核心技術(shù)。

“3，2，1，點火！”2013年12月2日1時30分，浐河畔西安衛(wèi)星測控中心一號測控指揮大廳，響起干練雄厚的調(diào)度聲。千里之外的大涼山深處，嫦娥三號懷抱“玉兔”騰空而起，向“廣寒宮”奔去。

14日21時00分,首次應用于中國航天器的空間變推力發(fā)動機開機,嫦娥三號開始實施動力下降。主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障、緩速下降……11分鐘后，“嫦三姑娘”在月球虹灣區(qū)成功著陸，中國成為世界上第3個實現(xiàn)地外天體軟著陸的國家，人類第130次探月之旅完美上演。

嫦娥登月，是我國航天領(lǐng)域迄今最復雜、難度最大的任務，這一中國航天史上的里程碑讓人們對“高精尖”的航天科技充滿好奇。而在這次發(fā)射和探月過程中，陜西科技提供了多項有力的技術(shù)支持，其中有不少還是核心技術(shù)。

眼睛：“嫦娥”“玉兔”成功互拍

15公里、10公里、5公里……遙控發(fā)令員于天一按下指令發(fā)送鍵，探測器降落相機開機，嫦娥三號睜開了“眼睛”，拍下第一幅實時畫面——明暗相間的月面，大大小小的隕石坑，這是中國人對月球從未有過的清晰凝視。

嫦娥“三姑娘”這雙“慧眼”的制造者，就是位于西安市高新區(qū)新型工業(yè)園的中國科學院西安光學精密機械研究所。西安光機所研制的產(chǎn)品，在嫦娥一號、二號任務中曾拍攝出世界最全最清晰的月面圖。這次在嫦娥三號任務中，光機所研制了兩個有效載荷及多個部件，全景相機就是其中最重要的一項。

西安光機所嫦娥三號全景相機主任設計師、副指揮楊建峰介紹，與以往所使用的相機相比，全景相機擁有環(huán)境適應性強、彩色成像、分辨率高等多個特點。

為了克服月面晝夜溫差大的惡劣環(huán)境影響，全景相機采用獨立溫控措施，從而保證“晚上不被凍壞，早上醒來還能在高溫下正常工作”。

“相機采取大光圈設計，可以實現(xiàn)從3米到無窮遠的清晰成像，基本覆蓋了從月球車腳下到月球邊際的范圍，在近距離觀測時可以實現(xiàn)毫米量級的空間分辨率?！睏罱ǚ逭f，為了適應月面不同光照的拍攝環(huán)境，全景相機采取兩種曝光模式和大光圈設計技術(shù)，使得成像范圍更廣、分辨率更高。

12月15日晚,“玉兔”號月球車走出著陸器一段距離后,用全景相機與著陸器互拍，著陸器上鮮艷的五星紅旗定格成為永恒，成為嫦娥三號任務圓滿成功的見證。

在嫦娥三號任務中，西安光機所研發(fā)的多項光學設備，不僅使“嫦娥”“玉兔”看得見，還使我國億萬人民親眼見證嫦娥飛天這一歷史性的時刻。嫦娥三號首次應用了西安光機所研發(fā)的箭載攝像裝置，對運載火箭發(fā)射、飛行過程進行實時監(jiān)測，讓嫦娥飛天過程首次實現(xiàn)“現(xiàn)場直播”。通過箭載攝像裝置，地面指揮中心首次“近距離”觀察到火箭及衛(wèi)星組合體的飛行狀態(tài)。

西安光機所研發(fā)的導航、避障相機光學系統(tǒng)以及星敏感光學系統(tǒng)是“嫦娥”“玉兔”順利落月、安全行駛的重要保障。

導航、避障相機光學系統(tǒng)以及星敏感光學系統(tǒng)的項目負責人王虎把導航與避障相機光學系統(tǒng)比喻為巡視器安全行駛的“火眼金睛”。他介紹，導航相機是巡視器的導航儀，主要用來獲取感知周圍的月表信息，負責對巡視器行駛路線的偏差進行修正和控制。避障相機對行進中所遇的障礙物進行識別，幫助巡視器繞開。

與嫦娥一號對月球“撞擊式”的著陸方式不同，“三姑娘”屬于“溫柔”著陸，這得益于中國航天科技集團航天五院西安分院有力的技術(shù)支撐。在最關(guān)鍵的落月環(huán)節(jié)，西安分院研制的測距測速敏感器通過把握速度和距離信息，給“三姑娘”裝上了“明亮的眼睛”，使“嫦娥”輕盈落月，而且落得精準。航天五院西安分院“80后”研究員譚小敏說：“這就像汽車里的防撞雷達，靠雷達獲取信息，提供給人的大腦，告訴我們什么時候該停車，什么時候該前進。”

耳朵：38萬公里地月“橋梁”

“三姑娘”探測器飛近月球,距離地球已達38萬公里。這么遠,要控制嫦娥三號正常穩(wěn)定運行,準確向地面?zhèn)骰靥綔y數(shù)據(jù),必須架起遠程測控及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?保證地月飛虹遠程通信暢通無阻。為此,航天五院西安分院為嫦娥三號研制搭載了全新的測控天線、數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng),架起地月“橋梁”。

這個被媒體稱為“順風耳”的測控數(shù)傳系統(tǒng)好比一個通道，落月后，嫦娥三號探測器會實時將各類探測數(shù)據(jù)發(fā)向地面，如果沒有這個通道，采集的一切數(shù)據(jù)都無法傳回來。

嫦娥三號的測距測速敏感器從開始工作到停止，總共只有650秒。當嫦娥三號距離月球15公里時，安裝在著陸器上的測距測速天線就像是安裝在測距測速敏感器上的靈敏“觸角”，不斷實時收、發(fā)信號，并及時傳遞至探測器的中央控制系統(tǒng)，進而實時判斷嫦娥三號著陸的速度和距離信息。西安分院在這些“觸角”的后端配備了數(shù)據(jù)傳輸通道，測距測速天線及數(shù)據(jù)傳輸通道，為嫦娥三號探測器的落月電視直播全過程發(fā)送信號。

在航天器的制造過程中，每擰一個鏍絲都在數(shù)人監(jiān)督核對下進行。 梁生樹//攝

測距測速敏感器、測距測速天線和UHF頻段測控數(shù)傳通道,都是嫦娥三號區(qū)別于嫦娥一號、二號的亮點新設備,更是“三姑娘”落月并向地面?zhèn)鬏斣卤硖綔y信息的核心部件。

西安分院嫦娥三號設計團隊的專家告訴記者,月球表面有大量浮塵,這些浮塵會對傳輸信號造成干擾,而UHF頻段發(fā)射出的信號極強,能夠穿透這些浮塵,直達地面。

月球環(huán)境條件惡劣，高低溫差將近330℃。嫦娥一號、二號的S頻段測控天線頂端是焊接而成，而“落月”及月表探測階段的巨大溫差會對這種焊接方法帶來潛在的巨大威脅。針對這個薄弱環(huán)節(jié)，測控天線設計團隊將原來的饋電處由焊接改為螺釘連接，同時，將原來的螺旋銅線改為螺旋銅帶。改進后的S頻段測控天線大大提高了抗高低溫交變能力，使得測控天線在極其惡劣的深空環(huán)境中也能正常工作。

由中國電子科技集團公司第三十九研究所研發(fā)的國內(nèi)最大口徑66米大口徑深空測控天線，首次正式參加了“探月工程”任務，它和分布在上海、喀什、昆明、佳木斯、烏魯木齊等地的其余5套大型天線以及分布在西昌、喀什、廈門、青島、佳木斯和三亞等地的30多套測控通信天線，共同構(gòu)筑起一套精準的測控保障系統(tǒng)，確保天地之間的聯(lián)系通道暢通無憂。

據(jù)介紹，66米大口徑深空測控天線是三十九所專門為“嫦娥”任務研發(fā)，攻克了大型天線系統(tǒng)設計制造的關(guān)鍵技術(shù)，并解決了超遠距離測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，在太空中的測控距離最遠可達4億公里，是目前國際上深空探測可達到的最遠距離。同時，該測控天線首次引入超導技術(shù)與深度制冷技術(shù)，在零下270℃的低溫環(huán)境下，仍可正常接受來自太空的測控信號，這是我國在該技術(shù)領(lǐng)域首獲突破。

心臟：變推力發(fā)動機完美“首秀”

12月14日，當航天科技集團公司六院研制的7500N變推力發(fā)動機，第一次將嫦娥三號探測器推舉飛越了38萬公里，精準地落到月球上時，坐落在西安航天產(chǎn)業(yè)基地的航天六院大樓里一片歡騰。

嫦娥三號從被成功地推舉到太空，到繞月飛行，再到安全落月，這每一個環(huán)節(jié)都離不開精準的動力把握——發(fā)動機相當于嫦娥三號的“心臟”，給她提供持續(xù)的動力。作為中國金牌動力的航天六院，再次書寫了傳奇。

在距離地球38萬公里的月球表面，想找個沒坑沒洼沒石頭又平整的月面落下去，對嫦娥三號來說可不是一件容易的事。她必須在距月球表面100公里處開始“剎車”，然后在一定高度懸停、平移，緩緩下降到距月面4米處，再輕輕地跳下去。

航天六院質(zhì)量技術(shù)部部長郭國長形象地說明了這一過程的高難度：“基本上要能達到一個人從兩米左右高的臺階上輕輕往下跳這么一個速度，保證嫦娥三號不受較大的震動，平平穩(wěn)穩(wěn)地落到月球上，不翻轉(zhuǎn)不傾斜?！?/p>

“只有發(fā)動機‘推得精’，嫦娥三號的速度才能‘變得準’?！被鸺龑＜?、航天六院副院長劉志讓說，“我們?yōu)殒隙鹑柫可硌兄屏俗兺屏Πl(fā)動機。它朝著嫦娥三號落月運動的反方向作用，從而實現(xiàn)減速”。他介紹，嫦娥三號推進分系統(tǒng)由1臺7500N變推力發(fā)動機和若干臺姿控發(fā)動機組成。7500N變推力發(fā)動機是我國目前推力變化范圍最大的發(fā)動機，嫦娥三號任務是這臺發(fā)動機在我國航天事業(yè)中的首秀。

嫦娥三號進入地月轉(zhuǎn)移軌道后，7500N變推力發(fā)動機開始工作，在導航制導控制系統(tǒng)的指揮下改變推力大小，完成主減速和快速調(diào)整。轉(zhuǎn)入環(huán)月飛行，在距月面100公里高度進行制動。在近月15公里左右，變推力發(fā)動機開始根據(jù)即時速度不斷調(diào)整推力。短短幾分鐘，嫦娥三號速度從每秒1.7公里降至大約每秒50米，高度從15公里降至不到3公里。

“嫦娥三號上只有一臺變推力發(fā)動機，如果單點失效，嫦娥三號的任務就完不成了?！焙教炝嚎蒲杏媱澆坎块L劉紅斌說。為了保證“三姑娘”的月球“第一步”穩(wěn)、準、柔，六院研制團隊打了5年“仗”。

研制初期,由于國內(nèi)外經(jīng)驗與資料同時匱乏,幾乎每周都會有失敗的試驗在上演。一周生產(chǎn)一臺產(chǎn)品,甚至兩周就生產(chǎn)三臺產(chǎn)品，無論時間多晚,所有實驗結(jié)果立刻進行數(shù)據(jù)分析,但結(jié)果還是不盡人意：不是性能上不去，就是性能上去了但沒幾秒就又燒蝕了。

就這樣反復試驗、反復生產(chǎn)，經(jīng)過一年多的艱苦探索和頑強攻關(guān)，六院研制團隊終于突破了“高性能、長壽命的推力室技術(shù)”“流量精確調(diào)節(jié)與穩(wěn)定技術(shù)”和“發(fā)動機系統(tǒng)優(yōu)化與集成技術(shù)”這三大關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)動機總體技術(shù)指標基本滿足了探測器技術(shù)要求，為發(fā)動機的工程研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

這項研究，不僅填補了國內(nèi)空白，而且達到了國際先進水平。

在一張質(zhì)量復查單中，記者看到這樣一些數(shù)字：著陸器推進分系統(tǒng)二百多根導管、四百多條焊縫管路、四百多處螺釘連接部位，活接頭部位近百處……單從這些可精確追溯到每一個人的數(shù)字里，就能看出航天六院在質(zhì)量管控方面所下工夫之“精”。