解碼“嫦娥家族”核心技術

中國探月工程，從2004年立項到嫦娥一號成功發(fā)射僅用了不到三年時間。工程時間緊、任務重，但收效甚豐，這離不開每一位航天科技工作者的辛勤付出。伊始的三年間，衛(wèi)星研制單位不斷完善系統(tǒng)設計，尤其是在月球探測任務和嫦娥一號衛(wèi)星特有的技術方面，各級技術人員勇于創(chuàng)新，在不斷細化技術問題的過程中逐步完善設計，為之后嫦娥工程的第二期、第三期任務和對其他星體的探測任務設計提供了技術儲備。

嫦娥一號

嫦娥一號先后在軌道設計、飛行程序、月球空間環(huán)境、定向天線設計、熱控設計、導航制導與控制設計、測控數(shù)傳設計、月食問題等方面實現(xiàn)了突破，并形成了適應探月任務、具備深空探測應用背景的系統(tǒng)設計和分系統(tǒng)設計方法及專項技術。

——軌道設計技術。說到嫦娥一號的技術創(chuàng)新和突破，首先要提的就是軌道設計技術。從科學探測的目的和任務角度出發(fā)，為了盡可能地探測整個月球，特別是月球的南北兩極，嫦娥一號選擇了繞月工作軌道。在繞行過程中，嫦娥一號需要在任意位置都能以相同的分辨率、穩(wěn)定的軌道高度對月面進行拍照，因此研發(fā)人員經(jīng)過一系列測算，最終確定嫦娥一號的工作軌道為200千米高的極月圓軌道，運行周期約為127分鐘。這條軌道對嫦娥一號而言“性價比”最高——運行所需要的能量最少、發(fā)射和 變軌過程中的風險最低。

——天線技術。在測控通信方面，國際上深空探測使用的一般是直徑35米，甚至70米 的天線?？僧敃r我國航天測控網(wǎng)天線的最大口徑只有12米，無法滿足月球探測的需要。經(jīng)過不懈的努力，研發(fā)人員用很少的經(jīng)費在喀什站和青島站新建了兩個直徑18米的天線，提高了遠距離測控精度，使我們的地面站測控距離從地球近程范圍延伸到月球范圍，保證嫦娥一號即使在距離地球更加遙遠的月球軌道，仍然能夠很好地建立星地間數(shù)據(jù)傳輸與測控信號的無線通信鏈路。

——溫控技術。嫦娥一號在繞月飛行時，會受到太陽、月球、月球陰影、地球陰影 （月食）和太空寒冷背景的影響，外部冷熱環(huán)境惡劣復雜。為此，嫦娥一號研發(fā)團隊研制出一套在地月轉移和繞月運行時，都能適應空間環(huán)境的溫控系統(tǒng)，使嫦娥一號在炎熱的時候能夠散熱，在寒冷的時候 能夠保溫。此外，在月食期間，嫦娥一號的“小翅膀”照不到太陽光，無法得到能源供應，研發(fā)人員通過多種嘗試，終于解決了月食期間嫦娥一號的能源供應問題。

——三體定向技術。地球衛(wèi)星只需要兩體定向——太陽電池翼對太陽定向，測控通信和有效載荷對地球定向；而月球衛(wèi)星則需要三體定向，方向分別是：太陽電池翼對太陽定向，探測儀器對月球定向，收發(fā)天線瞄向地球。一個飛行器需要同時滿足對三個方向的定向，技術難度很大。嫦娥一號首次采用了雙軸天線自主指向控制技術，使天線可以上下左右自由活動，在半球空間內(nèi)實現(xiàn)高精度指向要求，從而具有對地球的跟蹤指向能力，能夠把科學探測和遙測數(shù)據(jù)準確地傳回地球，同時降低通信所需功耗。

——紫外月球敏感器。紅外地球敏感器在人造地球衛(wèi)星和航天飛船上的應用非常普遍，可這種敏感器并不能應用于月球探測任務，因為月球沒有大氣層，不具有穩(wěn)定的紅外輻射帶。不過，月球具有穩(wěn)定的紫外輻射，所以研發(fā)人員選用紫外月球敏感器作為嫦娥一號的“眼睛”，讓它可以在各種月相下工作。

——月球三維影像。嫦娥一號衛(wèi)星的科學目標之一，是獲取整個月球表面的立體影像，因此與一般的詳細觀測不同，它的分辨率是120米左右。但是每一軌的覆蓋寬度相對較寬，可達到60千米左右。與人類的立體視覺相似，獲取月球三維影像的前提條件是從兩個以上的不同角度對同一個目標進行觀測，然后進行立體影像合成。通常情況下，衛(wèi)星是利用三個角度進行觀測。觀測的時候是利用衛(wèi)星飛行時的推掃完成的，嫦娥一號不需 要進行多次變軌，利用月球的自轉就能對整個月面進行覆蓋觀測。也就是說，嫦娥一號僅需要一個地球月左右的時間，就能實現(xiàn)對月球表 面的掃描全覆蓋。

嫦娥二號

比起“大小姐”嫦娥一號，“二小姐”嫦娥二號肩負的任務難度更高：第一，因為飛行距月更近，需要經(jīng)歷多次復雜的軌道和姿態(tài)機動，對衛(wèi)星軌道控制要求更高；第二，空間環(huán)境更復雜，嫦娥二號需要經(jīng)歷兩次月食，其間無法獲得能量補充；第三，三體組合控制模式復雜，嫦娥二號的三體定位對衛(wèi)星自身、太陽翼和天線的姿態(tài)控制要求更高；第四，新設備更多，也就存在更多可能出現(xiàn)的問題。面臨新的挑戰(zhàn)，嫦娥二號全面升級?；阪隙鸲柸蝿盏募夹g環(huán)節(jié)，針對衛(wèi)星、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面應用五大系統(tǒng)，嫦娥二號有了哪些突破創(chuàng)新？

——保溫技術。在遙遠的太空，由于沒有大氣層的保護，在陽光照射下，衛(wèi)星表面溫度非常高。繞月時，和嫦娥一號200千米軌道相比，嫦娥二號要面臨的100千米軌道熱流增加了20%—30%。月球上沒有空氣等熱傳導的介質(zhì)，因此衛(wèi)星上受到光線照射的部分溫度會很高，而不受光線照射的部分會很低，衛(wèi)星兩面的溫度可能相差300攝氏度。但0—20攝氏度是衛(wèi)星內(nèi)部元器件最理想的工作溫度。嫦娥二號要如何應“烤”？與此同時，在環(huán)月軌道上，嫦娥二號面臨的另一個溫度考驗來自太陽的炙烤和月表反射光的強烈照射，這使衛(wèi)星長期處在高達100攝氏度的工作環(huán)境里。那么，又要如何讓嫦娥二號能夠在如此惡劣的環(huán)境下“保溫”呢？

重新設計熱控系統(tǒng)。研制人員對衛(wèi)星艙內(nèi)的熱交換系 統(tǒng)進行了重新設計和布局，被光照射的部分和沒有被照射的部分之間 能夠迅速進行熱交換，使衛(wèi)星兩面的溫度能夠維持一種平衡狀態(tài)。

穿上“空調(diào)款”金銀外衣。在電視或者照片上，我們可以看到嫦娥一號和嫦娥二號的表面呈現(xiàn)著金銀兩種亮色。這就是嫦娥衛(wèi)星的“奢華嫁衣”。金色部分是由一層層比羽毛還輕的膜狀物和網(wǎng)狀物 間隔拼疊而成的，共有15層，有非常好的隔熱作用，不僅能夠防止衛(wèi)星熱量散失，而且可以阻止外部的熱量進入衛(wèi)星內(nèi)部；銀色部分則是一層類似鏡子一樣的膜，具有很強的反射能力和散熱能力，在反射 85%太陽光的同時，還能及時將衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)生的廢熱排散到外界。這款金銀外衣是嫦娥探月衛(wèi)星的天然空調(diào)系統(tǒng)。

30度夾角保護帆板。為了避開太陽直射，設計人員設計“嫦娥翅膀”——太陽能帆板的時候使其和太陽呈30度夾角，而不是直接垂直于太陽光線，這樣帆板溫度就會大大降低。同時，太陽能帆板可以進行任意角度的旋轉，以達到最佳的保護效果。嫦娥二號上還有一套軟件系統(tǒng)，在溫度達到一定高度時，軟件可以支持衛(wèi)星讓帆板停轉，直到帆板溫度降下來。

——運載火箭系統(tǒng)。與嫦娥一號發(fā)射所用的長征三號甲運載火箭不同，這次嫦娥二號用的火箭是長征三號丙運載火箭。從外形上看，“長三丙”在“長三甲”的基礎上捆綁了兩個助推器；從運載能力上看，“長三甲”的標準地球同步轉移軌道的運載能力是2600千克，而“長三丙”的運載能力達到了3800千克，可以滿足軌道和推力的要求。同時，它由于具有技術性能先進、可靠性高、適應能力強等特點，當仁不讓地成為執(zhí)行嫦娥二號發(fā)射任務的首選火箭。

——發(fā)射場。嫦娥二號和嫦娥一號一樣，都是在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。為了確保 嫦娥二號發(fā)射成功，發(fā)射場更新改進了上百項技術，包括測量雷達、遙測系統(tǒng)、光學儀器、加注系統(tǒng)等。發(fā)射嫦娥二號的二號塔架，被稱為“亞洲第一塔”，具有97.7米的高度和發(fā)射“長征三號”系列運載火箭的全覆蓋能力。

——測控系統(tǒng)。飛行器是風箏，地面控制人員就是放風箏的人?！版隙稹痹谔焐巷w，地上則織起了一張多點連線的風箏網(wǎng)。這一張風箏網(wǎng)——嫦娥二號任務的測控系統(tǒng)主要由三個中心、三艘測控船、六個國內(nèi)測控站、一個國外測控站、四個天文觀測站及一個國際聯(lián)網(wǎng)測控站組成。它們利用時間統(tǒng)一系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，按照統(tǒng)一時間標準聯(lián)成一個有機的系統(tǒng)整體，通過與箭載和星載測控合作目標的配合，共同完成對火箭和衛(wèi)星的各項測控任務。

軌道中途修正技術。軌道中途修正是航天測控中的尖端技術。要對軌道進行修正，首先必須精確測定衛(wèi)星正在運行的軌道數(shù)值，而后經(jīng)過計算得出需要修正的數(shù)值，最后參照這個數(shù)值控制衛(wèi)星上的發(fā)動機進行工作，以達到設定的目標。

超級望遠鏡。當時，我國已建立了由上海天文臺、國家天文臺北京總部、昆明天文臺和烏魯木齊天文站的四臺大型射電望遠鏡和上海VLBI（甚長基線干涉測量）數(shù)據(jù)處理中心組成的中科院VLBI網(wǎng)，使用VLBI技術為嫦娥二號做測軌工作。VLBI技術的神奇之處在于，雖然目前單個射電望遠鏡的口徑只有25米、50米，但它一旦與東南西北不同方位的同類望遠鏡聯(lián)網(wǎng)，就形成了一個口徑達3000多千米的“超級望遠鏡”，能看清月球上一個籃球場大小的目標，其測量精度和分辨率相當高。

2010年10月29日，北京航天飛行控制中心對嫦娥二號實施升軌控制，虹灣區(qū)成像活動圓滿結束，衛(wèi)星近月點返回100千米。北京航天飛行控制中心作為世界三大航天飛行控制中心之一，在嫦娥二號任務中成功突破了四項關鍵飛行控制技術：一是直接地月轉移軌道重構技術；二是姿控力精確補償定軌技術；三是近月點非對稱軌道控制技術；四是飛行控制智能規(guī)劃技術。

——地面應用系統(tǒng)。 走進嫦娥二號任務地面應用系統(tǒng)的總部——國家天文臺運控中心，如同走進破譯嫦娥探月衛(wèi)星密碼的大腦。與“大小姐”到達近月軌道才開始打開有效載荷不同，“二小姐”更加勤奮，踏上奔月路途的同時，有效載荷就開始了工作，實現(xiàn)了地月空間全程探測。地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收速率的提高也為接收“二小姐”更多的數(shù)據(jù)“家書”建立了順暢的傳輸通道。

嫦娥三號

“落月”是探月工程繼“繞月”后的第二步，但并不是第一步的簡單延續(xù)，而是新的巨大跨越，是一次歸零重啟的過程。在中國航天史上，地外天體著陸和開展巡視及科學考察都是前所未有的。其中，涉及與嫦娥一號、嫦娥二號截然不同的諸多全新技術，不少項目要從零開始。

——火箭升級，攻克六大專項技術。搭載嫦娥三號探測器的是長征三號乙增強型運載火箭。在長征三號乙運載火箭的基礎上，嫦娥三號的“專車”突破了發(fā)射窗口變短、提高“兩只眼睛”的入軌精度、量身打造“坐椅”、可靠性再躍升、提高運載能力、“現(xiàn)場直播”火箭飛行過程六大專項技術難關。

因為發(fā)射窗口短，入軌精度要求高，為了準確入軌，科研人員采用雙激光慣組加衛(wèi)星導航修正的復合制導技術，給火箭裝了“兩只眼睛”：一只“領航”，帶火箭按計劃飛行；一只“校正”，精確計算最佳途徑并及時調(diào)整。

與嫦娥二號相比，嫦娥三號的結構與尺寸發(fā)生了較大變化?？蒲腥藛T為嫦娥三號定制了探測器支架適配器，讓嫦娥三號能夠穩(wěn)穩(wěn)地坐在發(fā)射臺上。在運載能力方面，“長三乙”本來已經(jīng)是當時我國運載能力最強的火箭，在它的基礎上再增強，就意味著火箭運載能力的進一步提升?！伴L三乙” 增強型火箭是三級捆綁式火箭，在“長三甲”的基礎上捆綁了四個助推器，可以直接把嫦娥三號發(fā)射至近地點高度200千米、遠地點高度約38萬千米的地月轉移軌道。

——攻克三項技術，實現(xiàn)“睜眼”著陸。常規(guī)來說，航天探測器降落有三種方法：第一種是氣囊，但是會限制探測器的重量；第二種是空中吊車，技術太復雜、難度太大；第三種是著陸腿——這也是我國選擇的方案。但這個方案也有很多棘手之處，需要解決的核心問題有兩個：一是控制發(fā)動機推力減速；二是測量避障。

在沒有空氣的月球上，探測器只能通過發(fā)動機反推來實現(xiàn)平穩(wěn)降速，這就要求發(fā)動機的推力可變。在這項技術上，我國科研人員僅用時半年就完成了攻關。但僅僅靠減速便不能讓探測器“睜著眼睛”平安落地，因而，科研人員使用了四項技術給嫦娥三號上了多重保險：激光測距、微波測距測速、光學粗避障、激光三維成像。

在距月面100米的地方，嫦娥三號需要進行短暫懸停，掃描月面，避開障礙物，找到合適的著陸點。這個過程最長只有30秒。激光測距敏感器還有一次關機再開的機會，而激光三維成像敏感器只有三次拍照機會。如果三次都沒有拍到清晰的照片，嫦娥三號該怎么著陸？別擔心，還有最后一重保障——著陸腿。 嫦娥三號的著陸腿里含有拉伸材料，拉桿在受力的情況下可以伸縮，這也是我國航天史上的一次創(chuàng)新之舉。技術突破和創(chuàng)新幾乎貫穿了嫦娥三號從研制到軟著陸技術全程的所有環(huán)節(jié)。科研人員通過努力，使嫦娥三號克服了反推減速、自主控制和著陸緩沖三大技術難點，實現(xiàn)了成功軟著陸的任務目標，結束了人類無人探測器在月球盲降的歷史，成就了中國航天的輝煌。

——同位素熱源等技術溫暖守護，“三丫頭”度過漫長月夜。 落月后，嫦娥三號面臨的最大難關就是在“冰冷刺骨”“無電可充”的長月夜下如何生存。科研人員首次采用了同位素熱源及兩相流體回路、隔熱組件和電加熱器等方案，確保艙內(nèi)溫度控制在-50攝氏度—5攝氏度，通過“蓋被子”“開空調(diào)”讓“三丫頭”能夠睡過長達14個地球日、溫度只有-180攝氏度的長月夜，再被第一縷溫暖的陽光喚醒。

——玉兔一號本領有多大。嫦娥三號利用玉兔一號開展了著陸區(qū)月壤內(nèi)部與月殼淺層結構探測。 玉兔一號上搭載的全景相機、紅外光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀和探月雷達等設備，幫助我們在國際上首次揭示了月球雨海區(qū)的火山演化歷史，發(fā)現(xiàn)了一種新型的月球玄武巖。同時，首次研制的超寬頻帶測月雷達“邊走邊探”，繪制了世界上首幅月球地質(zhì)剖面圖，即著陸區(qū)月殼淺層330米深度內(nèi)的剖面結構特性及地質(zhì)演化圖。

嫦娥四號

——鵲橋照亮嫦娥飛天路。鵲橋號是一顆中繼衛(wèi)星，屬于通信衛(wèi)星的一種，被形象地稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。中繼衛(wèi)星是為衛(wèi)星、飛船等航天器提供服務的，可以極大地提高各類衛(wèi)星的使用效益和應急能力，實時下傳資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星上的探測數(shù)據(jù)。

作為嫦娥四號和地球的通信中轉站，“鵲橋”的架設位置很關鍵。鵲橋號中繼星發(fā)射預定的位置就是地月系統(tǒng)中的拉格朗日L2點。牛郎織女相會的鵲橋由喜鵲搭成，而為地月牽線的“鵲橋”則全部由高科技產(chǎn)物組成。鵲橋號中繼星載有傘狀拋物面天線、測控天線和數(shù)傳天線三類天線。其中，傘狀天線展開直徑可達4.2米，是人類深空探測史上口徑最大的通信天線。鵲橋號中繼星在成功入軌之后，便快速進入工作狀態(tài)，建立起三條鏈路——對月前向鏈路、對月反向鏈路及對地數(shù)傳鏈路，分別實現(xiàn)了自己與嫦娥四號、地面站的雙向通信。

——強化裝備，迎難而上。嫦娥四號的著陸區(qū)僅相當于嫦娥三號著陸區(qū)面積的八分之一，周圍還有海拔近10千米的高山，附近地形起伏差達6千米，這樣的著陸區(qū)大大提高了嫦娥四號著陸的風險和難度。為此，科研人員給嫦娥四號配備了兩只“眼睛”：第一只是能測距的激光測距敏感器；第二只是會避坑的激光三維成像敏感器。嫦娥四號的激光測距敏感器是全新的定制款。它通過向月面發(fā)射激光脈沖，測量激光發(fā)射脈沖信號與月面回波脈沖信號的時間間隔，來獲得嫦娥四號與月面的精確距離，為著陸器提供高精度的測距數(shù)據(jù)。激光三維成像敏感器則是在嫦娥四號懸停時，通過迅速發(fā)射多束激光，對月面著陸區(qū)域掃描成像，獲得密集、高分辨率的月面三維圖像，經(jīng)過著陸器計算分析后，選擇最佳著陸區(qū)以實現(xiàn)安全軟著陸。

——玉兔二號勤勤懇懇，至今服役遙望地球。玉兔二號與玉兔一號外表相似，攜帶了全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、中性原子探測儀四件裝備。作為巡視器，玉兔二號與著陸器的原地探測不同，它需要進行移動探測，執(zhí)行機動任務。所以，科研人員在玉兔一號的技術基礎上對其移動能力進行了強化，大大提高了它的通過性、機動性及地形適應性，不僅使玉兔二號具有了一定的障礙識別和自主避障能力，它的智能水平和自主性也更強了。由于此次嫦娥四號著陸區(qū)域地形復雜，科研人員在應對意外狀況方面開展了多項系統(tǒng)試驗，對石塊落入車輪內(nèi)部、驅動機構頻繁啟停，以及巡視器極限移動等多種狀況均進行了逐 一測試并形成了應對方案，這使我們的“小玉兔”更加聰明，能獨立地處理工作過程中出現(xiàn)的問題。

嫦娥五號

隨著長征五號遙五運載火箭的成功發(fā)射，大家的關注焦點從“胖五”轉移到了嫦娥五號身上。與之前的探月任務不同，此次嫦娥五號要往返80多萬千米，完成包括落月探測、采樣返回、交會對接等11項高難度項目，任務更為復雜艱巨。

——“微縮版運載火箭”發(fā)動機技術。于是，在出發(fā)前，嫦娥五號的發(fā)動機經(jīng)歷了一次全方位的升級。為了確保嫦娥五號能在月球平穩(wěn)著陸，并從月球安全返回，研發(fā)人員為它量身定做了三臺新型發(fā)動機——軌道器上的3000牛發(fā)動機，會在地月轉移、月地轉移中途修正，以及在近月制動、離月加速中大展身手；著陸器上的7500牛變推力發(fā)動機，負責完成月面軟著陸任務；上升器上的3000牛發(fā)動機則相當于一枚微縮版運載火箭，將為上升器飛離月球提供推力。

——鉆取采樣系統(tǒng)技術。自動采樣是嫦娥五號核心任務的關鍵環(huán)節(jié)之一?！拔骞媚铩币?00攝氏度以上的月面高溫下，克服測控、光照、電源等多方面的條件約束，借助機械臂表取、鉆具鉆取，通過深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式，實現(xiàn)多點、多樣化自動采樣。

鉆頭。鉆取是通過空心鉆桿的取芯機構，鉆到月球表面的深處，得到深層樣品的層理信息。針對鉆取任務，科研人員特地為嫦娥五號打造了一套 “金剛鉆”。這套金剛鉆有三大絕活：一是適應能力強。嫦娥五號不能移動，落到哪兒就得在哪兒鉆取，所以鉆頭就必須具有很高的適應性?？蒲腥藛T開展了上千次的地面鉆取試驗，實現(xiàn)了鉆取子系統(tǒng)“回轉”“沖擊”和“回轉+沖擊”三種模式，以及不同參數(shù)的自由切換，以適應多種月壤工作狀況。 二是鉆進能力強。科研人員選用雙排鉆牙階梯構型，經(jīng)過千錘百煉，最終使鉆頭具備了對8級硬度巖石的鉆進能力，保證了鉆進過程順暢可控。 科研人員還為雙排出刃設計了多個切削面，讓鉆頭可以撥動、突破臨界顆粒與顆粒集群，以應對危險工作狀況，輕松處理大顆粒。 三是排粉能力強?？蒲腥藛T采用漸闊的錐形排粉槽通道，與鉆桿排粉槽相連，構建成一體排粉通道。

鉆桿。鉆桿長度超過2.5米，主體材料采用鋁基碳化硅材料，并設計了空心結構，其耐磨性和強度可以和鋼材媲美。鉆桿內(nèi)部裝有高柔韌度、高強度的取芯軟袋。在鉆取時，鉆桿在接收地面指令后不斷下鉆，一邊鉆一邊收土，同時保證把從不同深度鉆到的月壤層層分離，完整地保存月壤的層理信息。

封裝。取到土是嫦娥五號的第一個小目標。想要把它們安全帶回家，得先完成封裝。 為了保證取得的樣品在提出過程中不會掉落，嫦娥五號采用了開放式構型的“8”字形超彈性合金絲作為封口方案，與取芯軟袋末端進行一體化縫合，依靠彈性收縮力來實現(xiàn)簡單可靠的封口。于是，“五姑娘”辛辛苦苦鉆取的“土特產(chǎn)”在封入軟袋后，被裝進環(huán)形封裝容器，最后運送到上升器頂端保護起來。

傳送。月球表面坑洼不平，如果嫦娥五號著陸時站立不穩(wěn)，有可能影響樣品的傳送?？蒲腥藛T設計了具有碰撞自適應能力的傳送方案——通過彈性驅動為月壤封裝容器提供初始速度，再借助重力，將含有三級導向錐角的封裝容器沿固定導向結構傳送到上升器內(nèi)。這套方案不需要續(xù)送機構，簡單好用，可以在不同著陸姿態(tài)下實現(xiàn)封裝容器精準傳送。

——著陸器“一器兩用”與自主定位技術。在月面上，“五姑娘”既沒有平坦的起飛地點，也沒有發(fā)射塔架，要怎么起飛呢？在科研人員的不斷探索下，嫦娥五號著陸器實現(xiàn)了“一器兩用”，在返程中充當上升器的發(fā)射塔架。上升器則克服了地月環(huán)境差異、發(fā)動機羽流導流 空間受限、無法由地面人員完成測調(diào)和確認等難題，“自力更生”地完成起飛時的自主定位、定姿。

——“太空快遞交接”技術。由于嫦娥五號月球軌道的交會對接機構非常小，所以精度要求極高，一場太空中的“ 穿針引線”即將開始。軌返組合體重達2噸多，如果采用傳統(tǒng)碰撞式對接的話，只有其體重六分之一的上升器很容易被撞飛。為此，科研人員專門設計了抱爪式抓 捕對接機構，每對抱爪就像人的手臂，可以在1秒鐘內(nèi)快速合攏，將上 升器先“抱住”，再把上升器的被動鎖柄牢牢地約束在這個“懷抱”里，讓上升器“無處可逃”。 在這個過程中，軌返組合體采用三套抱爪機構星型周向布局、自定心設計，實現(xiàn)了對接后的自動對準中心，在保證高精度對接的同時實現(xiàn)了輕量化設計。

——月壤樣品的轉移機構技術。交會對接完成后，嫦娥五號還要做一個重要的動作，就是把上升器里裝有月壤樣品的容器轉移到返回器中。月壤樣品的轉移機構設計得很巧妙，這是科研人員從尺蠖身上得到的靈感?？蒲腥藛T基于“運動行程放大+接力轉移”的原理，提出了一種仿尺蠖的展收接力式機構，通過多級并聯(lián)連桿的簡單循環(huán)展收運動，把“太空快遞包裹”從上升器一點一點收到返回器中。

——太空中“打水漂”，半彈道跳躍式再入返回技術?！拔骞媚铩睆脑虑蝻w回地球的速度是每秒11.2千米，相當于飛機巡航速度的 45倍。如果不能有效減速，攜帶珍貴月壤樣品的返回器就會有剎不住車、進入大氣層后被燒毀的風險。當時，國際上常見的再入方式有三類：彈道式再入、彈道-升力式再入和升力式再入?？蒲腥藛T經(jīng)過一系列論證、研究和試驗，決定借助地球大氣層這個天然屏障，通過空氣摩擦產(chǎn)生的阻力達到減速目的，于是提出了一個大膽的全新方案——半彈道跳躍式再入返回。這類似于在太空中“打水漂”，返回器先是高速進入大氣層，再向大氣層“借東風”， 用它提供的升力躍出大氣層，通過摩擦來消耗返回器的動能，然后再進入大氣層，返回地面。

——加裝防熱、防燒蝕的全新“戰(zhàn)袍”。嫦娥五號返回器在大氣層穿梭時會因摩擦而急劇升熱，所以科研人員給它穿上了一件防熱、防燒蝕的全新“戰(zhàn)袍”。根據(jù)不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標情況，科研人員從33種新研材料中篩選出了7種，細致設計了“戰(zhàn)袍”的結構和材料布局，實現(xiàn)了中國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計的跨越。

嫦娥六號

6月4日7時38分，嫦娥六號上升器攜帶月球樣品自月球背面起飛，成功進入預定環(huán)月軌道。這是人類探測器首次完成月球背面采樣和起飛。而此次嫦娥六號的成功采樣，得益于三大硬核技術。

——“鉆”“表”結合齊“挖土”。嫦娥六號探測器的著陸和采樣地點位于月球背面南極—艾特肯盆地，該區(qū)域被公認為月球上最大、最古老和最深的盆地，具有極高的科學價值。月背“挖土”是門精細活?？蒲腥藛T為嫦娥六號設計了兩種“挖土”方式：鉆具鉆取和機械臂表取。探測器隨身攜帶了鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將采取深鉆、淺鉆以及“鏟土”“夾土”等方式，采集月球樣品。

——“地月協(xié)作”取月壤。首次在月背采樣，嫦娥六號面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。中國航天科技集團任德鵬指出，相比嫦娥五號，嫦娥六號任務有三個特點：一是采樣地點位于月背，為保證數(shù)傳鏈路的連續(xù)性，必須依靠鵲橋二號中繼星“搭橋”；二是采樣地點所處的緯度更高，月壤的風化程度相比低緯度地區(qū)更加不充分，月壤的石塊含量可能會更多，這對地面規(guī)劃和采樣機構來說是更大挑戰(zhàn)；三是采樣時間相比嫦娥五號更短。

“鉆得動”是研制團隊最為關注的環(huán)節(jié)之一。為此，研制團隊在嫦娥六號“出發(fā)”前就開展了大量地面試驗與仿真分析。針對月背中繼通信可能無法有效配合鉆采作業(yè)這一極端工況，研制團隊設計了應急程序，做好充分準備，確保在極端工況下能通過“人機協(xié)作”方式，輔助嫦娥六號及時研判控制鉆取風險，現(xiàn)場決策后續(xù)動作。

結合月壤特性，研制團隊設計了“百里挑一”的獨創(chuàng)鉆頭，通過對比多種設計方案，最終確定了取芯機構方案以及相應構型，使其具備高硬度巖石的鉆進能力。同時，研制團隊針對不同顆粒度月壤切削、撥、擠、排能力，讓鉆頭形成多個切削面，在實現(xiàn)高效取芯的同時，具有良好的層序保持特性，讓高難度的月背“挖土”更穩(wěn)妥順暢。

——高效打包確?！霸丁?。月球表面為高真空、高低溫、月塵綜合環(huán)境。要將38萬公里之外的月球樣品在無人條件下進行打包封裝，歷經(jīng)空間飛行、再入返回等步驟還不被地面環(huán)境污染，維持月球樣品原態(tài)，這就需要研制一套專門裝置。這套裝置能夠在月表自動承接、密封月球樣品，并保證樣品完好無缺地送回地球。

面對這一艱巨任務，研制團隊接連突破多項關鍵核心技術，確保嫦娥六號完成自動密封任務。為保證取得的樣品在提芯的過程中不發(fā)生掉落，研制團隊經(jīng)過多方案的篩選驗證，設計采用了特定封口方案。封口器采用扭轉密閉式結構，并進行大應變材料設計，具有低力載、高可靠的特點，且長時間處于大變形承載狀態(tài)下不發(fā)生應力松弛現(xiàn)象，實現(xiàn)簡單可靠的封口。

針對采集的月壤樣品具有可變形特征，嫦娥六號探測器還專門設計了特殊的提芯拉繩，確保取芯軟袋具有確定的幾何形狀，方便樣品傳送和轉移。（來源：本文整理自中信出版社出版的《大國航天：衛(wèi)星·探月》、中新網(wǎng)）