嫦娥五號(hào)“繞、落、回”背后的科技力量

詹媛 李喬

12月19日，嫦娥五號(hào)從月球挖的“土”正式移交了相關(guān)科研單位，我國(guó)首次地外天體樣品儲(chǔ)存和研究工作拉開(kāi)序幕。回顧此次嫦娥五號(hào)月球挖“土”，自11月24日，嫦娥五號(hào)發(fā)射入軌，經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、在軌分離、平穩(wěn)落月、鉆表取樣、月面起飛、交接對(duì)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(jìn)行，離不開(kāi)航天科研人員的科技保障。日前，筆者前往中國(guó)航天科工集團(tuán)二院，一探該院多種保障嫦娥五號(hào)順利“繞、落、回”背后的科技力量。

測(cè)量雷達(dá)“緊盯”火箭飛行

在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)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(cè)量雷達(dá)快速采集著火箭的飛行信息，確保指控中心能第一時(shí)間掌握全局，做好安全控制。

這是雷達(dá)測(cè)量的第一棒。從點(diǎn)火的那一刻開(kāi)始，23所探測(cè)雷達(dá)像兩雙“鷹眼”，緊盯火箭飛行。據(jù)相關(guān)科研人員介紹，這兩部測(cè)量雷達(dá)主要用于運(yùn)載火箭發(fā)射上升段的外彈道測(cè)量，為發(fā)射場(chǎng)指控中心實(shí)時(shí)提供火箭距離、方位、俯仰等精確坐標(biāo)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?yàn)椴皇苡暄┡_(tái)風(fēng)等天氣因素影響，在火箭飛行觀測(cè)的初始階段，它們扛起了“大梁”。據(jù)介紹，這種測(cè)量雷達(dá)先后圓滿完成長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征五號(hào)首飛等數(shù)十次飛行任務(wù)，為嫦娥五號(hào)飛行保駕工作奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

聲表面波濾波器讓“嫦娥”更“耳聰”

在此次任務(wù)中，該院23所還提供了另外一個(gè)“神器”——自主研發(fā)的聲表面波濾波器，它們同時(shí)安裝在嫦娥五號(hào)及長(zhǎng)征五號(hào)火箭中，主要應(yīng)用在測(cè)控、應(yīng)答機(jī)等分系統(tǒng)，全力保障嫦娥五號(hào)信號(hào)接收、過(guò)濾雜波，以及各分系統(tǒng)信號(hào)接收、處理。

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

據(jù)了解，為了濾除無(wú)用信號(hào)，更好助力嫦娥五號(hào)太空觀測(cè)，確保與地面中心的信號(hào)暢通，23所對(duì)每一個(gè)濾波器都精雕細(xì)琢，聲表濾波器的最細(xì)線條寬度達(dá)到0.3微米，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/200，每一個(gè)合格的高可靠性聲表面波器件，都要在高倍顯微鏡下“過(guò)關(guān)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(hào)的頻率信號(hào)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(hào)中電子設(shè)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(hào)晶體元器件為嫦娥五號(hào)的發(fā)射、測(cè)控、在軌飛行、采樣、返回等提供了穩(wěn)定、可靠的頻率信號(hào)。

據(jù)介紹，203所研制生產(chǎn)的某型高性能時(shí)鐘晶體振蕩器，可以說(shuō)是“功勛”產(chǎn)品，此前已大量運(yùn)用在探月工程中。此次，在嫦娥五號(hào)任務(wù)中，它再次成為多面手，從充當(dāng)“千里眼”和“順風(fēng)耳”的通信設(shè)備、控制嫦娥精準(zhǔn)著陸的控制系統(tǒng)，到拍攝“廣寒宮”的光學(xué)電子設(shè)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(hào)在遙遠(yuǎn)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(bǔ)晶體振蕩器，具有頻率準(zhǔn)確、耐受沖擊的特點(diǎn)。此次嫦娥五號(hào)使用了數(shù)只這樣高精度的抗沖擊溫補(bǔ)晶體振蕩器，這些“神器”都是處于“關(guān)鍵崗位”，它們的輸出信號(hào)頻譜干凈，為嫦娥五號(hào)衛(wèi)星信標(biāo)機(jī)提供精準(zhǔn)信號(hào)，保證“嫦娥”平安回家。

另一型高精度溫補(bǔ)晶體振蕩器，是頻率控制的“大咖”，它可以輸出更加精準(zhǔn)穩(wěn)定的頻率信號(hào)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和工藝攻關(guān)后，能夠大幅提高嫦娥五號(hào)的性能指標(biāo)、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(yīng)性。

微波雷達(dá)做“嫦娥”銳利的“眼睛”

依托首次月壤采樣返回任務(wù)，二院25所交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)首次實(shí)現(xiàn)月球軌道應(yīng)用。

25所自主研制的月球軌道交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，是實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接和月壤轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設(shè)備，用于嫦娥五號(hào)軌道器和上升器之間相對(duì)位置與相對(duì)姿態(tài)的精確測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向空空通信，就像互相能看見(jiàn)的銳利“眼睛”，引導(dǎo)兩個(gè)航天器最終實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接，保證月壤采樣安全轉(zhuǎn)移。

不同于地球軌道交會(huì)對(duì)接，微波雷達(dá)在月球軌道交會(huì)對(duì)接是遠(yuǎn)距離測(cè)量的唯一手段，也是保證上升器在環(huán)月軌道和軌道器對(duì)接并把月壤樣品轉(zhuǎn)移到軌道器的關(guān)鍵。

火箭發(fā)射后，微波雷達(dá)隨嫦娥五號(hào)探測(cè)器飛行約7天到達(dá)月球軌道，隨后雷達(dá)主機(jī)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(yīng)答機(jī)主機(jī)及應(yīng)答機(jī)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(jìn)入環(huán)月軌道，開(kāi)始月球軌道交會(huì)對(duì)接。微波雷達(dá)在交會(huì)對(duì)接階段工作，從約100km處開(kāi)機(jī)工作，為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供軌道器與上升器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行雙向空空通信，直至對(duì)接機(jī)構(gòu)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(yùn)外骨骼輕松抱“嫦娥”回家

當(dāng)嫦娥五號(hào)返回器在預(yù)定地點(diǎn)著陸后，該院206所搬運(yùn)外骨骼助力回收大隊(duì)成功搜救返回器。

據(jù)介紹，這個(gè)搬運(yùn)外骨骼包含上肢助力模塊和下肢助力模塊，負(fù)載能力達(dá)50公斤，通過(guò)電動(dòng)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(guān)節(jié)發(fā)力，降低人體能耗，同時(shí)為穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力，在負(fù)重搬運(yùn)機(jī)動(dòng)時(shí)可省力約60%，幫助穿戴者承擔(dān)更大載荷，能夠更輕松地抱“嫦娥”回家。

此次任務(wù)中，兩名身穿外骨骼的搜救回收隊(duì)員攜帶搜救設(shè)備從直升機(jī)降落點(diǎn)快速機(jī)動(dòng)至返回器著陸點(diǎn)，并在返回器旁插上一面鮮艷的五星紅旗。與此同時(shí)，搬運(yùn)外骨骼還協(xié)助搜救回收大隊(duì)在返回器周邊快速搭建應(yīng)急通信、照明及電力保障體系，確保搜救回收任務(wù)快速、安全、高效完成，為整個(gè)嫦娥五號(hào)探月任務(wù)收官畫(huà)上圓滿句號(hào)。