航天企業(yè)·天津·天津航天機電設(shè)備研究所 為嫦娥五號探月任務(wù)圓滿成功提供支撐

2020年12月17日凌晨1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品成功著陸，任務(wù)獲得圓滿成功。習(xí)近平總書記在為此發(fā)來的賀電中指出，嫦娥五號任務(wù)作為我國復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，首次實現(xiàn)了我國地外天體采樣返回。這是發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢攻堅克難取得的又一重大成就，標(biāo)志著中國航天向前邁出的一大步，將為深化人類對月球成因和太陽系深化歷史的科學(xué)認(rèn)知作出貢獻(xiàn)。

大型超平支撐平臺

嫦娥五號任務(wù)創(chuàng)造中國航天史上的五項“首次”，一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的點火起飛、精準(zhǔn)入軌，三是月球軌道無人交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，四是攜帶月球樣品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統(tǒng)。此次任務(wù)的圓滿成功，是我國航天事業(yè)發(fā)展中里程碑式的新跨越，標(biāo)志著我國具備了地月往返能力，實現(xiàn)了“繞、落、回”三步走規(guī)劃完美收官，為我國未來月球與行星探測奠定了堅實基礎(chǔ)。

天津航天機電設(shè)備研究所在此次嫦娥五號探月任務(wù)中，承擔(dān)了交會對接試驗大型超平支撐平臺研制重任，完成了采樣區(qū)域模擬月面形貌制備與構(gòu)筑系統(tǒng)，承擔(dān)了多項關(guān)鍵部件與工裝的研制與生產(chǎn)工作，參加了嫦娥五號探測器熱控實施、裝配和地面保障工作，為嫦娥五號探測器探月任務(wù)的成功完成提供了全方位的助力。

將太空環(huán)境搬回地球

探月返回過程中，軌道器、返回器組合體與上升器能否完成交會對接，是決定嫦娥五號可否將月壤帶回地球的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。雖然我國已掌握空間交會對接技術(shù)，但與以往地球軌道交會對接相比，38 萬公里的月球軌道上是沒有辦法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的，完全要靠探測器自身來解決。為了真實地驗證“精準(zhǔn)接、無縫轉(zhuǎn)”的交會對接和樣品轉(zhuǎn)移過程，需要在地面開展GNC 全物理仿真試驗，而該試驗便是2015年8月在天津市微低重力環(huán)境模擬技術(shù)重點實驗室完成的。

地面交會對接試驗使用的敏感器和執(zhí)行器都是真實產(chǎn)品，要模擬它們在太空環(huán)境中的對接狀態(tài)，需要用通過發(fā)動機噴嘴噴氣產(chǎn)生的只有幾十牛的推力來讓數(shù)噸重的模擬器改變軌道和姿態(tài)。為此，天津航天機電設(shè)備研究所研制了總面積達(dá)1200 平方米，單塊平臺水平度達(dá)到2 角秒，拼縫高度差達(dá)到10 微米的大型超平支撐平臺，也只有這么高的精度才能保證嫦娥五號的模擬器在平臺上進(jìn)行近乎無摩擦的運動，從而驗證探測器交會對接過程中的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)。

天津航天機電設(shè)備研究所在建設(shè)該平臺時，利用從下到上的地基、支撐機構(gòu)、平臺本體、控制系統(tǒng)和調(diào)平系統(tǒng)等多方面的技術(shù)優(yōu)勢，為此次嫦娥五號地面試驗的順利完成提供了有力保障。

地基是整個大平臺可靠穩(wěn)定運行的根本，針對天津的地質(zhì)條件，天津航天機電設(shè)備研究所科研人員為此次建設(shè)的高精度穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行了更充分的保障。

AR 技術(shù)觀察月面地貌

3D 打印模擬月球石塊

科研人員采用摩擦樁和高標(biāo)號水泥澆筑的方法，為整個大平臺建設(shè)提供了一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)。為了加強設(shè)備基礎(chǔ)與支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)之間的連接貼合性與接觸剛度，科研人員還將高精度的花崗巖墊石澆注在地基內(nèi)。

地基與平臺之間采用的支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)是天津航天機電設(shè)備研究所具備自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。每塊平臺下方由六套支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于三點確定一個平面，因此，其中三根為主支撐，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)平臺位姿；三根為輔助支撐，負(fù)責(zé)增加平臺的支撐剛度，1200 根支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)，保證了開展試驗的模擬器即便在最危險工況下仍能順利通過拼接縫。

平臺本體是由200 塊特供的天然濟南青花崗巖拼接而成的，濟南青花崗巖具有抗壓強度高、耐腐蝕等良好的物理特性，是建造大平臺的理想材料，但只在特定區(qū)域產(chǎn)出，且產(chǎn)量很少?？蒲腥藛T在設(shè)計之初曾考慮過鑄鐵，但是鑄鐵的平臺維護性較差，手觸、生銹、除銹都會破壞平臺的平整度，最終還是選擇了濟南青花崗巖。

控制系統(tǒng)是平臺下方1200 個支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)的大腦，負(fù)責(zé)接收檢測車回傳的平臺水平度數(shù)據(jù)，并精確計算每個支撐的運行量。天津航天機電設(shè)備研究所科研人員設(shè)計了基于CANopen總線的分布式控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制，保障了調(diào)節(jié)精度要求。

要將200 塊3m×2m 的花崗巖調(diào)整到水平度和拼接縫高度滿足試驗參數(shù)要求，工作量極其龐大且繁瑣，且數(shù)據(jù)差之毫厘、謬之千里。為此，科研人員研制了自主巡航的檢測車對整個平臺進(jìn)行精度測量和自動調(diào)平，相比傳統(tǒng)人工檢測與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間從1—2 個月縮短到24 小時，大幅提高了工作效率和支撐平臺的保障能力。

“大型超平支撐平臺”是氣浮式微重力試驗研究的基礎(chǔ)設(shè)施，在其上能夠開展大量的試驗研究工作。目前，除嫦娥五號探月任務(wù)外，該平臺還針對空間站、大型展開機構(gòu)等十余項各類型號開展了試驗任務(wù)，未來還將為載人登月、空間編隊飛行、深空探測等重大工程任務(wù)提供強有力的支撐。

“大型超平支撐平臺”的成功研制，使我國徹底告別了手工調(diào)試平臺的歷史，氣浮支撐平臺物理仿真一舉躍進(jìn)世界領(lǐng)先水平。后續(xù)，天津航天機電設(shè)備研究所將繼續(xù)深入研究探索，不斷迭代發(fā)展大型超平支撐平臺技術(shù)和低微重力模擬仿真技術(shù)，為更多的用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

將月面搬到地面

2020年12月2日，我國嫦娥五號探測器成功落月。12月3日，我國首次月面自動采樣任務(wù)順利完成。此次嫦娥五號探測器自動采樣任務(wù)采用表鉆結(jié)合、多點采樣的方式。其中，表取采樣任務(wù)的完成，采樣點選擇以及采樣策略的制定非常重要。

為了此次月面采樣任務(wù)的順利實施，天津航天機電設(shè)備研究所與五院總體設(shè)計部共同完成了嫦娥五號探測器采樣區(qū)域模擬月面形貌制備與構(gòu)筑系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)嫦娥五號探測器登陸月面后回傳的圖像信息，通過技術(shù)手段在實驗室模擬真實采樣區(qū)域的月面形貌將“月面搬到地面”，為快速、有效地完成采樣點選擇與采樣策略的制定提供參考依據(jù)。

簡單說，就是將“月面搬到地面”上。

首先，該系統(tǒng)根據(jù)嫦娥五號探測器的監(jiān)視相機從月面?zhèn)骰氐膱D像信息和點云數(shù)字三維重構(gòu)模型，采用基于增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的頭戴式設(shè)備，對預(yù)定采樣區(qū)域月面形貌進(jìn)行重現(xiàn)，如同科幻電影中的場景一樣，技術(shù)人員只要戴著一副AR 眼鏡，就可以直觀的看到月面地貌的投影。

之后，技術(shù)人員會按照采樣區(qū)域的整體坡度與高度，以及采樣區(qū)域內(nèi)的石塊、凹坑、凸起等信息，在實驗室中的模擬月壤上制作出與月球表面一樣大小的凹坑及凸起，并使用高速光固化3D 打印設(shè)備，打印出與月球表面存在的石塊一樣的替代品，將這些模擬石塊按照真實月面情況擺放在前面模擬的月壤上。這樣，一片模擬月面形貌就制作完成了。

天津航天機電設(shè)備研究所科研人員，以項目影響度凝聚所內(nèi)以及天津本土的優(yōu)勢資源，在國內(nèi)首次將增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)、3D 打印技術(shù)、光學(xué)三維掃描技術(shù)融合應(yīng)用于地形構(gòu)筑上，協(xié)助技術(shù)人員對嫦娥五號在月面完成采樣點選擇與采樣策略的制定提供參考依據(jù)。

后續(xù)，該系統(tǒng)還將為火星探測與小行星探測等深空探測任務(wù)的開展，提供思路和可借鑒的實施方案。