“上海力量”，每一秒都咬牙不停！

陳冰

圖片提供/中國航天科技集團(tuán)八院

“白兔搗藥秋復(fù)春，嫦娥孤棲與誰鄰”“嫦娥應(yīng)悔偷靈藥，碧海青天夜夜心”……自古以來，描寫嫦娥的詩詞便是不勝枚舉。中秋時節(jié)，花好月圓，人們仰望星空，有了神話故事的渲染，遙遠(yuǎn)的月亮似乎也變得更加神秘。

如今，神話傳說變成了現(xiàn)實，“嫦娥”真的奔月了，而月亮也正在逐步揭開它的神秘面紗。

11月24日4時30分，體重800多噸的“胖五”——長征五號運(yùn)載火箭成功將嫦娥五號探測器送入預(yù)定軌道，在38萬公里之外，完成中國航天史上“最復(fù)雜的任務(wù)”，上演了一出月宮取寶、環(huán)月對接、太空投遞的壯舉。

正所謂“長五遙五送嫦五，冬月奔月去探月”。

“太空郵差”是怎么煉成的？

位于上海的中國航天科技集團(tuán)有限公司八院承擔(dān)了長征五號助推器和嫦娥五號軌道器的研制任務(wù)。4個助推器提供了長征五號起飛90%的推力。軌道器作為主動飛行器將承擔(dān)地月往返運(yùn)輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉(zhuǎn)移等任務(wù)。

作為貫穿任務(wù)全過程的核心產(chǎn)品，軌道器是名副其實的“太空郵差”，它將在相距38萬公里的地球和月球之間，構(gòu)建起一條太空“物流”的特殊通道，既承擔(dān)地月往返運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，將乘客安全地送往目的地，同時又要在太空中穩(wěn)妥地完成貨品的“接收”“裝箱”，將珍貴的月壤投送回藍(lán)色星球。

“在整個任務(wù)過程中，軌道器在軌共有5次分離，6種組合體狀態(tài)，承擔(dān)地月往返運(yùn)輸、器間分離、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵任務(wù)，是目前最復(fù)雜的空間飛行器之一?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)八院嫦娥五號探測器副總設(shè)計師查學(xué)雷介紹。針對整個任務(wù)飛行狀態(tài)多、器間接口多、工作模式多、技術(shù)攻關(guān)難、地面驗證難以及運(yùn)載與發(fā)射場新“三多、兩難、一新”特點(diǎn)，研制團(tuán)隊突破了4項關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥五號探測器由4個部分組合而成，多器分工合作的狀態(tài)造就了探測器在太空中不斷分離-組合-再分離-再組合的變形過程，這在我國航天器中絕無僅有。而軌道器就擁有5個分離面，既要保證組合狀態(tài)下器與器連得穩(wěn)固，同時又要確保分離過程的安全可靠，這是探測器研制的難點(diǎn)之一。

軌道器摒棄了傳統(tǒng)的艙段間包帶連接方式，創(chuàng)新采用多點(diǎn)高強(qiáng)度分離螺母進(jìn)行連接，通過在各分離面配置不同數(shù)量的分離螺母以滿足艙段間連接強(qiáng)度與剛度要求。同時雙作動分離螺母包含兩套解鎖機(jī)構(gòu)，其中任意一套動作就能確保分離面每一個分離點(diǎn)的可靠分離。連接穩(wěn)固、分離可靠的連接解鎖與分離關(guān)鍵技術(shù)，成就了嫦娥五號的從容飛天之旅。

嫦娥五號將在38萬公里外實施世界首次月球軌道自動無人交會對接與樣品轉(zhuǎn)移。對接機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動位置精度和對中性是影響樣品容器轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，對接精度要求達(dá)到毫米級。為了解決這一難題，中國航天科技集團(tuán)八院研制團(tuán)隊創(chuàng)造性地研制出了抱爪式對接機(jī)構(gòu)，配合采用棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，在自動無人交會對接的同時實現(xiàn)樣品容器的自動轉(zhuǎn)移，這一技術(shù)是世界首創(chuàng)，成就了嫦娥飛天采樣返回中極為重要的一環(huán)。

“抱爪機(jī)構(gòu)具有重量輕、捕獲可靠、結(jié)構(gòu)簡單、對接精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機(jī)構(gòu)，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計理念都是世界首創(chuàng)。”中國航天科技集團(tuán)有限公司八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹說。

“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(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹。探測器采用的對接機(jī)構(gòu)就是由3套K形抱爪構(gòu)成的，當(dāng)上升器靠近時，只要對準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現(xiàn)兩器的緊密連接。

而軌道器和上升器對接完成后，還要進(jìn)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(jī)構(gòu)，采用了一個非常巧妙的設(shè)計?！焙鹩罱榻B，“我們利用2套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器中。這個構(gòu)形很像我們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進(jìn)不能后退。”

38萬公里之外“月宮之吻”

捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實現(xiàn)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhuǎn)移任務(wù)?！睂訖C(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲解釋，“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?！?/p>

“我們構(gòu)建了整機(jī)特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)，先后進(jìn)行了661次對接測試、518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)移過程的萬無一失?！眲⒅俳榻B，“我們甚至在試驗中故意加入小故障，讓對接機(jī)構(gòu)自動判別，進(jìn)行故障排除，確保整個過程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠。”

嫦娥五號對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的研制成功，為探月三期任務(wù)的實施奠定了堅實技術(shù)基礎(chǔ)，同時填補(bǔ)了我國在輕小型對接機(jī)構(gòu)工程化研究領(lǐng)域的空白，將為后續(xù)深空探測等任務(wù)提供有力支撐。

嫦娥五號探測器任務(wù)要求極其復(fù)雜，對產(chǎn)品研制的各方面條件制約嚴(yán)重。就在研制初期，擺在團(tuán)隊面前最直接的困難就是重量和功耗緊張。對于一個航天器而言，重量好比黃金，功耗好比白銀，減重以克計，降功以瓦算，這是一個讓設(shè)計師談之色變的永恒難題。

2011年，對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的研制拉開帷幕，團(tuán)隊成立之初只有8個人，可參考的東西可以說只有“一頁紙”。

要實現(xiàn)電氣功能的整合，打“破”原有的設(shè)計方法，就必須建立一套新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。包括一系列通用化的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)，甚至建立一套全新的系統(tǒng)集成測試方法，摸索出一套全新與之匹配的產(chǎn)保方法。這難度不亞于將一個機(jī)器人“身體”保證不受損的基礎(chǔ)上，將體內(nèi)所有的骨骼血液拆碎重組，還要保證它“活蹦亂跳”，像金庸小說里最厲害的武林高手一般，“被一掌震破內(nèi)臟心脈受損，但還能走能跳能聽指揮”，當(dāng)然小說里描寫的這些不會真的發(fā)生于現(xiàn)實，但團(tuán)隊做的就是讓它變成現(xiàn)實，打破常規(guī)的設(shè)計方略讓資源統(tǒng)籌變可能，一體化設(shè)計讓減重不再是難題，綜合電子關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，讓軌道器公共資源的利用率大大提升，身輕如燕的軌道器可以張開雙臂踏上奔月之路。

為了做到身材比例的完美，軌道器首次使用大承載復(fù)雜構(gòu)形輕量化結(jié)構(gòu);首次創(chuàng)新使用多次分離復(fù)雜構(gòu)形;首次使用多冗余路徑復(fù)合傳力結(jié)構(gòu)，首次采用大承載復(fù)合材料一體成形插層變厚度承力球冠技術(shù)等七項創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量比達(dá)到9.6%，僅僅46kg的承力球冠能夠承載3噸貯箱，具備30噸的極限承載能力，真正做到“雞蛋殼上掛秤砣”。

通過積極創(chuàng)新設(shè)計，軌道器內(nèi)有錚錚鐵骨，外有完美身材，擎得起飛天夢想，穩(wěn)得住每個動作，成就了可靠的飛天嫦娥。

十年問天路

自2011年軌道器立項起，中國航天科技集團(tuán)八院探月工程負(fù)責(zé)人張玉花就帶領(lǐng)團(tuán)隊“白手起家”，展開了攻堅研制之旅。七年研制、三年貯存，嫦娥五號軌道器是張玉花探月之路上經(jīng)歷時間最長、研制最為艱苦的一個航天器。

從嫦娥三號、嫦娥四號再到嫦娥五號，張玉花一路走來，從無到有，帶出了一個作風(fēng)硬朗的探月隊伍，一步一個腳印堅定地走向月球。他們不僅克服了人力資源和條件保障短缺的困難，還在貯存和延壽中經(jīng)歷磨練，在月球軌道首次無人交會對接、首次樣品轉(zhuǎn)移等一系列高超難度動作等關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了突破。為中國航天壯舉貢獻(xiàn)了“上海力量”。

探月工程三期任務(wù)最引人矚目的當(dāng)屬首次在38萬公里之外的月球軌道上進(jìn)行交會對接，將裝有月壤的樣品容器從上升器轉(zhuǎn)移至返回器中。為了確?！白サ米?，抱得緊，轉(zhuǎn)得穩(wěn)”的既定目標(biāo)，精準(zhǔn)可靠控制抱爪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵。

2011年，對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的研制拉開帷幕，團(tuán)隊成立之初只有8個人，可參考的東西可以說只有“一頁紙”。

軌道器副總師胡震宇就和時任對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)主任設(shè)計師鄭云青帶領(lǐng)年輕的團(tuán)隊成員廣泛調(diào)研國內(nèi)外對接機(jī)構(gòu)設(shè)計，開展了4種對接方案設(shè)計和9種轉(zhuǎn)移方案設(shè)計，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種。胡震宇介紹，通過多輪方案比較及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，最終確定了現(xiàn)在的抱爪式對接方案和連桿棘爪轉(zhuǎn)移方案。

軌道器和上升器在環(huán)月軌道滿足交會對接初始條件時，要求控制器在收到抓捕指令后1秒鐘內(nèi)控制抓捕機(jī)構(gòu)完成抓捕，21秒內(nèi)實現(xiàn)兩器剛性連接。眨個眼的工夫就要完成對接？還是在38萬公里外的月球？這可是創(chuàng)紀(jì)錄、高難度的考驗。

為驗證方案樣機(jī)的功能，團(tuán)隊提出了吊掛式對接試驗方案。把方案“變現(xiàn)”卻只有短短的幾個月的時間了，沒有捷徑退路?；叵肽嵌巍安簧釙円埂钡碾A段，起初是黑沉沉的夜，然后晨光微微明亮起來。初樣研制兩年半的時間，迭代設(shè)計了3連套圖紙，研制了電性件、電測件、鑒定件等6大件。

印象深刻的是鑒定件的力學(xué)試驗，產(chǎn)品潤滑采用濺射二硫化鉬，這種特殊的鍍膜材料對濕度極度敏感。在上海的黃梅天，一場不懂休息的雨就可以使外部環(huán)境濕度達(dá)到百分之九十以上。當(dāng)時，振動廠房空調(diào)通宵轟鳴，50小時輪番上陣試驗不停，就怕空調(diào)突然“罷工”，就怕試驗后的運(yùn)輸遇到“雨神”眷顧。不眠不休不只是為了保證計劃節(jié)點(diǎn)，更是為了呵護(hù)產(chǎn)品。

張玉花從載人航天領(lǐng)域轉(zhuǎn)向陌生的探月工程，擔(dān)任副總設(shè)計師、副總指揮，開啟了上海嫦娥團(tuán)隊的探月之旅。

“當(dāng)時我們最需要的是方便面和一個整夜的覺?！痹O(shè)計師劉洲回憶起那段歲月，只是云淡風(fēng)輕地笑笑。如何突破一個個關(guān)鍵技術(shù)難題，如何從無到有建立起一套完備的對接與樣品轉(zhuǎn)移仿真系統(tǒng)與硬件測試系統(tǒng)，總結(jié)起來就是四個字，無所畏懼。對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)現(xiàn)任主任設(shè)計師劉仲如是說。人力資源不夠，就用加班充;地測設(shè)備不足，就自己研發(fā);直至今日，已經(jīng)沒有任何困難可以阻擋他們的“孩子”在月球軌道大展風(fēng)采。

2017年，軌道器團(tuán)隊厲兵秣馬，卻意外等來了貯存的消息——由于發(fā)射計劃調(diào)整，探月三期任務(wù)推遲發(fā)射，軌道器隨探測器總體轉(zhuǎn)入貯存。2019年，經(jīng)過一年的貯存，當(dāng)軌道器團(tuán)隊再次整裝待發(fā)時，卻迎來第二次貯存的消息。面對兩次發(fā)射推遲，整個探月團(tuán)隊沉默了，但沉默不意味著消沉，沉下心的是誓保成功的堅定信念。

既然為成功守候，那就逆流而上。在嫦娥五號副總設(shè)計師查學(xué)雷的帶領(lǐng)下，整個團(tuán)隊對軌道器開展全面深入的壽命分析，確保各個產(chǎn)品設(shè)計驗證到位、過程風(fēng)險受控。在3年的貯存期間，嫦娥五號經(jīng)歷5次加電自檢，用沉甸甸的數(shù)據(jù)證明軌道器功能性能沒有下降;經(jīng)歷多次發(fā)射窗口的變更與飛行程序的更改，團(tuán)隊成員對于每一個可能的發(fā)射窗口進(jìn)行設(shè)計復(fù)核，制定詳細(xì)的方案，確保隨時執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

同事們還記得，軌道器總體主任設(shè)計師趙晨成天追著能源的專家請教咨詢，不斷推翻又重新建立計算模型，一再細(xì)化各個飛行階段整器供電功率的時間軸，反復(fù)推演每個可能的發(fā)射窗口的飛行程序所需的能源需求，拿出一份份經(jīng)得起推敲的供電方案，只為一個目標(biāo)，能量平衡。團(tuán)隊每個人心里都有向往勝利的渴望，匯聚成砥礪前行的保成功力量，團(tuán)隊沒有停止對任務(wù)的多維度思考，多層次的梳理，為的是成功。把狀態(tài)控制做得嚴(yán)之又嚴(yán)，把飛控預(yù)案做得慎之又慎，把風(fēng)險管控做得細(xì)之又細(xì)，已經(jīng)扎根在每個人的心里;把操作測試做得穩(wěn)妥可靠，把質(zhì)量工作做得全面堅實，已經(jīng)是每個人的標(biāo)準(zhǔn)。

“航天是人類不斷向外探索的領(lǐng)域，我們要去的往往是原來還沒到過的遠(yuǎn)方，所以代表了一種探索精神、創(chuàng)新精神，也代表著英雄情結(jié)?！睆堄窕ㄕf，深空探測和月球探測本身就十分有價值，探索的過程就意味著人類好奇心的驅(qū)動和科技的進(jìn)步?！案珊教炀偷糜信荛L跑的勁兒，這個周期很長，每一秒都得咬著牙不能停?！?/p>