嫦娥五號奔月“挖土”專家詳解背后關(guān)鍵技術(shù)

嫦娥五號是我國探月工程“繞、落、回”三期任務(wù)的收官之戰(zhàn)，將實現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回。

2020年11月24日4時30分，我國在文昌發(fā)射場用長征五號運載火箭，成功將嫦娥五號探測器送入預定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。根據(jù)中國航天科技集團消息，此次嫦娥五號任務(wù)總共歷時23天，將采集約2千克的月球巖石、土壤樣本返回地球。北京時間12月6日12時35分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體與上升器成功分離，進入環(huán)月等待階段，準備擇機返回地球。

嫦娥五號是我國探月工程“繞、落、回”三期任務(wù)的收官之戰(zhàn)，將實現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回。

嫦娥五號由軌道器、著陸器、上升器、返回器組成。其中，由中國航天科技集團有限公司八院研制的軌道器，將承擔地月往返運輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉(zhuǎn)移等重任，就像一位藝高膽大、超級炫酷的“太空快遞小哥”，從地球出發(fā)趕到38萬公里外的月球軌道上，取一份來自月球的珍貴樣品，再快遞回地球。

目前最復雜的空間飛行器之一

據(jù)中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設(shè)計師查學雷介紹，軌道器的工作貫穿整個嫦娥五號探測任務(wù)。

發(fā)射升空后，這位“太空快遞小哥”第一項任務(wù)是運輸。作為一個自主飛行器，它負責攜帶著陸器、上升器和返回器，完成地月轉(zhuǎn)移、中途修正和近月制動。進入環(huán)月軌道后，軌道器與著陸器上升器的組合體分離，攜帶返回器留在軌道上等候“取件”。

著陸器與上升器組合體抵達月球，完成月壤樣品的采集任務(wù)后，上升器攜帶樣品從月面起飛，與等候在月球軌道的軌道器自主交會對接，并將攜帶的樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器。與對接艙、上升器分離后，軌道器將攜帶返回器進入月地轉(zhuǎn)移軌道;在距離地球5000公里處與返回器分離，將返回器投送回地球。

“在嫦娥五號整個任務(wù)中，軌道器在軌共有5次分離、6種組合體狀態(tài)，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵任務(wù)，是目前最復雜的空間飛行器之一?！辈閷W雷介紹說，擔負重任的軌道器在技術(shù)上呈現(xiàn)“三多”特點： 一是飛行階段多。軌道器參與運載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等探測器系統(tǒng)11 個飛行階段中的8個階段。

二是器間狀態(tài)多。軌道器在飛行過程中有6種組合體狀態(tài)，承擔器間分離、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵任務(wù)，多種組合體飛行狀態(tài)器間接口復雜，軌道器任務(wù)過程要經(jīng)歷多次的變軌和姿態(tài)調(diào)整，軌道飛行、姿態(tài)控制難度大，機、電、熱接口可靠性要求高。

三是分離次數(shù)多。軌道器要順利完成地月轉(zhuǎn)移，并將裝有樣品容器的返回器帶回地球，整個過程涉及5次分離，包括與火箭分離、與著陸上升組合體分離、與支撐艙分離、與對接艙上升器組合體分離、與返回器分離。在軌分離次數(shù)多，分離環(huán)境復雜，系統(tǒng)設(shè)計難度極大。

首次月球軌道自動交會對接

作為嫦娥五號“飛天采樣”任務(wù)中的一位“太空快遞小哥”，軌道器最重要的一項任務(wù)是“取件”。在距離地球38萬公里外的月球軌道上，軌道器與上升器自動交會對接，并將上升器里的樣品轉(zhuǎn)移到返回器。這是人類航天器首次在月球軌道上進行自動交會對接。對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)均由中國航天科技集團八院研制。

據(jù)中國航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號軌道器與上升器采用的對接方式，與我國載人航天采用的對接方式有很大區(qū)別。載人航天采用的是“異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)”，兩個航天器對接后形成80厘米左右的通道，航天員可以在其中穿行。嫦娥五號采用的是“抱爪式對接機構(gòu)”，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)，實現(xiàn)對接與自動轉(zhuǎn)移功能的一體化。這些設(shè)計理念均為世界首創(chuàng)，對接精度可以達到毫米級。

“所謂抱爪式，就像我們的手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中?！辨隙鹞逄栜壍榔骷夹g(shù)副總負責人胡震宇解釋說，“對接機構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現(xiàn)兩器的緊密連接?！?/p>

當軌道器和上升器對接完成后，還需將上升器里裝有月壤樣品的容器轉(zhuǎn)移到返回器。連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機構(gòu)，可以巧妙地利用倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過伸縮，將容器逐漸移動到返回器中。

據(jù)八院805所對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負責人劉仲介紹，由于月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，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)。所有步驟要在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為保證萬無一失，研制團隊做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。

多項關(guān)鍵技術(shù)獲得突破

為了完成極其復雜的月球無人取樣返回任務(wù)，嫦娥五號好似一位“變形金剛”，需要在太空中完成“分離—組合—再分離—再組合”的變形過程。

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、運載與發(fā)射場新等特點，八院的軌道器研制團隊突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，將這位“太空快遞小哥”打造得錚錚鐵骨、身輕如燕，藝高膽大、超級炫酷。

為了保證組合狀態(tài)下器與器連得穩(wěn)固、分離過程中器與器安全可靠地分開，軌道器擁有5個分離面。研制團隊摒棄了傳統(tǒng)的艙段間連接方式，創(chuàng)新性采用了多點高強度的分離螺母進行連接。這種連接方式，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度與剛度要求。同時，“雙作動”分離螺母包含兩套解鎖機構(gòu)，其中任意一套動作，就能確保分離面每一個分離點的可靠分離。

軌道器采用了分艙段設(shè)計，各艙段都有對應(yīng)的配電管理、熱控管理、信息管理需求。研制團隊創(chuàng)新提出分區(qū)域管理的分布式綜合電子單機設(shè)計思想，以及整器電氣管理的區(qū)域化、標準化、模塊化設(shè)計思想。通過制定一系列標準規(guī)范，使綜合電子系統(tǒng)從內(nèi)到外整齊標準，靈活組裝、易于拓展，跑得穩(wěn)軟件，傳得好信號，點得起火工品，控得住機構(gòu)。

為了控制“體重”，軌道器在要求強大承載能力的同時，還必須“身輕如燕”。為此，研制團隊首次使用了大承載復雜構(gòu)型輕量化結(jié)構(gòu);首次創(chuàng)新使用多次分離復雜構(gòu)型;首次使用多冗余路徑復合傳力結(jié)構(gòu)，首次采用大承載復合材料承力球冠技術(shù)等7項創(chuàng)新技術(shù)。僅46千克的承力球冠，能承載3噸貯箱，具備30噸的極限承載能力，堪比“雞蛋殼上掛秤砣”。

月球軌道對接與樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)，是嫦娥五號“飛天取樣返回”能否成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。早在2011 年1月，八院805所就開始進行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和工程研制。研制團隊突破了輕小型弱撞擊式對接、復雜接口自動樣品轉(zhuǎn)移、對接與轉(zhuǎn)移一體化等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)。

10年來，八院的研制團隊先后進行了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。

為什么要去月球“抓土”

月球采樣返回，也就是到月球上去“抓把土回來”，是嫦娥五號的核心任務(wù)。著陸器在月球表面上順利降落后，將通過鏟取、鉆取兩種方式，采集約2公斤的月球樣品帶回地球。月球上的土壤或者巖石碎片究竟有什么研究價值，需要我們?nèi)f里迢迢前去采集？

在中國科學院國家天文臺研究員鄭永春看來，月壤是從月球固體巖石圈到太陽系空間的過渡帶，包含相關(guān)區(qū)域的大量信息。對月壤的研究不僅涉及月球本身，還能獲得太陽系空間物質(zhì)和能量的重要信息，其中包括太陽系早期演化的歷史記錄、月巖和月壤的宇宙線暴露與輻照歷史、月球中揮發(fā)分的脫氣歷史、太陽風的組成、太陽表層的成分特征、小天體和微隕石撞擊月球的歷史記錄等。

研究月球樣本對開發(fā)月球資源同樣意義重大。月壤中含有氦3，這個讓科學家極為興奮的發(fā)現(xiàn)，就是研究月球樣品的成果。氦3是世界公認高效、清潔、安全的核聚變發(fā)電燃料，據(jù)計算，100噸氦3所能創(chuàng)造的能源，相當于全世界一年消耗的能源總量。氦3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且容易取用的只有500公斤左右;而早期探測結(jié)果表明，月球淺層的氦3含量多達上百萬噸。盡管開采和利用月球上的氦3還要攻克大量技術(shù)難題，但這無疑是人類解決能源危機的希望之一。

月球樣本的研究價值如此豐富，難怪科學界認為美國的阿波羅計劃最大的貢獻并不是讓人類的足跡印在了月球上，而是帶回了月球的樣本。從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，共帶回約382公斤月球樣品，獲取了大量科學成果。

幾十年間，美國國家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究月球樣品的申請，這來自全世界10多個國家的500多名科學家。NASA共向外發(fā)放5萬多份月球樣品，供天文學、生物學、化學、工程學、材料科學、醫(yī)學、地質(zhì)學等不同領(lǐng)域的科學家開展研究。

其中的一份1克的月球樣品，被當作與新中國正式建交的禮物，由時任美國國家安全事務(wù)顧問的布熱津斯基在1978年訪華時贈送給了中國?！爱敃r的國家領(lǐng)導人問教育部和中國科學院的負責人，全國有沒有人研究過月球上的石頭？他們都回答說沒有。但中科院的負責人說，我們這兒有一個人研究過天上掉下來的隕石，國家領(lǐng)導人就拍板說讓他來。那個人就是我?！?中國科學院院士、中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠向記者回憶說。

當時40歲出頭的歐陽自遠舍不得用完這顆只有黃豆大小、要用放大鏡才看得清楚細節(jié)的月球樣本，只用了一半來研究，把另外0.5克送給北京天文館珍藏。就是靠著這0.5克的微量樣本，歐陽自遠和他的科研團隊不僅判斷出該樣本是在阿波羅17號任務(wù)中采集的、確認了采集地點，甚至還分析出樣本所在地區(qū)是否有陽光照射。根據(jù)對這份樣本的研究，他們共發(fā)表了14篇學術(shù)論文。“后來美國的同行見到我們時說：‘這下你們?nèi)贾懒?。”今天的“嫦娥之父”歐陽自遠就此與探月結(jié)緣。

月球采樣返回的技術(shù)難度很高，迄今為止只有美國和蘇聯(lián)兩國曾實現(xiàn)。而人類最近一次月球采樣是蘇聯(lián)1976年的月球24采樣任務(wù)，距今已經(jīng)過去44年。如果嫦娥五號任務(wù)成功，中國將成為人類第三個實現(xiàn)月球采樣返回的國家。

美國靠著宇航員登月的靈活操作，在取回月球樣本的數(shù)量上擁有巨大優(yōu)勢;蘇聯(lián)只實現(xiàn)了在月球上的無人采樣返回，3次總共只帶回了0.336公斤的樣本，不及美國的零頭。而中國此次首次無人采樣返回，目標帶回月球樣本約2公斤。

嫦娥五號的著陸地點為月球正面西北部的呂姆克山脈。歐陽自遠介紹：我國選擇的著陸點距離美國的阿波羅計劃著陸點有上千公里，很可能將迎來新的現(xiàn)象、新的發(fā)現(xiàn)。

國際頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志2020年11月5日刊文認為：嫦娥五號計劃帶回的樣本可以填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。之前美國和蘇聯(lián)的月球任務(wù)所獲得的巖石表明：月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。但對月球表面的觀測發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖。如果嫦娥五號的樣本證實這段時間月球仍在活動，將改寫人類認識的月球歷史。

來源|綜合新華每日電訊、新民周刊