陳冰

圖片提供/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院

“白兔搗藥秋復(fù)春，嫦娥孤棲與誰(shuí)鄰”“嫦娥應(yīng)悔偷靈藥，碧海青天夜夜心”……自古以來(lái)，描寫(xiě)嫦娥的詩(shī)詞便是不勝枚舉。中秋時(shí)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(shuō)變成了現(xiàn)實(shí)，“嫦娥”真的奔月了，而月亮也正在逐步揭開(kāi)它的神秘面紗。

11月24日4時(shí)30分，體重800多噸的“胖五”——長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭成功將嫦娥五號(hào)探測(cè)器送入預(yù)定軌道，在38萬(wàn)公里之外，完成中國(guó)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(duì)接、太空投遞的壯舉。

正所謂“長(zhǎng)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(guó)航天科技集團(tuán)有限公司八院承擔(dān)了長(zhǎng)征五號(hào)助推器和嫦娥五號(hào)軌道器的研制任務(wù)。4個(gè)助推器提供了長(zhǎng)征五號(hào)起飛90%的推力。軌道器作為主動(dòng)飛行器將承擔(dān)地月往返運(yùn)輸、月球軌道交會(huì)對(duì)接、樣品容器轉(zhuǎn)移等任務(wù)。

作為貫穿任務(wù)全過(guò)程的核心產(chǎn)品，軌道器是名副其實(shí)的“太空郵差”，它將在相距38萬(wàn)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(shí)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(gè)任務(wù)過(guò)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(huì)對(duì)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?guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹。針對(duì)整個(gè)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(yàn)證難以及運(yùn)載與發(fā)射場(chǎng)新“三多、兩難、一新”特點(diǎn)，研制團(tuán)隊(duì)突破了4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器由4個(gè)部分組合而成，多器分工合作的狀態(tài)造就了探測(cè)器在太空中不斷分離-組合-再分離-再組合的變形過(guò)程，這在我國(guó)航天器中絕無(wú)僅有。而軌道器就擁有5個(gè)分離面，既要保證組合狀態(tài)下器與器連得穩(wěn)固，同時(shí)又要確保分離過(guò)程的安全可靠，這是探測(cè)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(guò)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(shí)雙作動(dòng)分離螺母包含兩套解鎖機(jī)構(gòu)，其中任意一套動(dòng)作就能確保分離面每一個(gè)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(hào)的從容飛天之旅。

嫦娥五號(hào)將在38萬(wàn)公里外實(shí)施世界首次月球軌道自動(dòng)無(wú)人交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移。對(duì)接機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)位置精度和對(duì)中性是影響樣品容器轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，對(duì)接精度要求達(dá)到毫米級(jí)。為了解決這一難題，中國(guó)航天科技集團(tuán)八院研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地研制出了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，配合采用棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)無(wú)人交會(huì)對(duì)接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品容器的自動(dòng)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(jiǎn)單、對(duì)接精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們?cè)阪隙鹞逄?hào)上采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，通過(guò)增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化，這些設(shè)計(jì)理念都是世界首創(chuàng)?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)有限公司八院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花介紹說(shuō)。

“所謂的抱爪，其實(shí)形象地說(shuō)，就像我們手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中?！辨隙鹞逄?hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹。探測(cè)器采用的對(duì)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(shí)，只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接。

而軌道器和上升器對(duì)接完成后，還要進(jìn)行一個(gè)重要?jiǎng)幼鳎褪菍⑸仙魃涎b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(gè)非常巧妙的設(shè)計(jì)?！焙鹩罱榻B，“我們利用2套倒三角形構(gòu)型的棘爪，通過(guò)4次伸縮，使得容器逐漸移動(dòng)到返回器中。這個(gè)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?！?h3>38萬(wàn)公里之外“月宮之吻”

捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡(jiǎn)單的過(guò)程，但在38萬(wàn)公里之外高速運(yùn)行的飛行器上實(shí)現(xiàn)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

“月球軌道相對(duì)于地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，這就對(duì)時(shí)效性要求非常高，必須一氣呵成完成對(duì)接與轉(zhuǎn)移任務(wù)?！睂?duì)接機(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(duì)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(xiàng)故障預(yù)案，從啟動(dòng)開(kāi)始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制?！?/p>

“我們構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng)，先后進(jìn)行了661次對(duì)接測(cè)試、518次樣品轉(zhuǎn)移測(cè)試，通過(guò)不斷地測(cè)試、優(yōu)化，確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程的萬(wàn)無(wú)一失。”劉仲介紹，“我們甚至在試驗(yàn)中故意加入小故障，讓對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)判別，進(jìn)行故障排除，確保整個(gè)過(guò)程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠。”

嫦娥五號(hào)對(duì)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(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)填補(bǔ)了我國(guó)在輕小型對(duì)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(cè)等任務(wù)提供有力支撐。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器任務(wù)要求極其復(fù)雜，對(duì)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(duì)面前最直接的困難就是重量和功耗緊張。對(duì)于一個(gè)航天器而言，重量好比黃金，功耗好比白銀，減重以克計(jì)，降功以瓦算，這是一個(gè)讓設(shè)計(jì)師談之色變的永恒難題。

2011年，對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的研制拉開(kāi)帷幕，團(tuán)隊(duì)成立之初只有8個(gè)人，可參考的東西可以說(shuō)只有“一頁(yè)紙”。

要實(shí)現(xiàn)電氣功能的整合，打“破”原有的設(shè)計(jì)方法，就必須建立一套新的設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)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(shuō)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(tīng)指揮”，當(dāng)然小說(shuō)里描寫(xiě)的這些不會(huì)真的發(fā)生于現(xiàn)實(shí)，但團(tuán)隊(duì)做的就是讓它變成現(xiàn)實(shí)，打破常規(guī)的設(shè)計(jì)方略讓資源統(tǒng)籌變可能，一體化設(shè)計(jì)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(kāi)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(xiàng)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(guò)積極創(chuàng)新設(shè)計(jì)，軌道器內(nèi)有錚錚鐵骨，外有完美身材，擎得起飛天夢(mèng)想，穩(wěn)得住每個(gè)動(dòng)作，成就了可靠的飛天嫦娥。

十年問(wèn)天路

自2011年軌道器立項(xiàng)起，中國(guó)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(duì)“白手起家”，展開(kāi)了攻堅(jiān)研制之旅。七年研制、三年貯存，嫦娥五號(hào)軌道器是張玉花探月之路上經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)、研制最為艱苦的一個(gè)航天器。

從嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)再到嫦娥五號(hào)，張玉花一路走來(lái)，從無(wú)到有，帶出了一個(gè)作風(fēng)硬朗的探月隊(duì)伍，一步一個(gè)腳印堅(jiān)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(wú)人交會(huì)對(duì)接、首次樣品轉(zhuǎn)移等一系列高超難度動(dòng)作等關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。為中國(guó)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(wàn)公里之外的月球軌道上進(jìn)行交會(huì)對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的研制拉開(kāi)帷幕，團(tuán)隊(duì)成立之初只有8個(gè)人，可參考的東西可以說(shuō)只有“一頁(yè)紙”。

軌道器副總師胡震宇就和時(shí)任對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師鄭云青帶領(lǐng)年輕的團(tuán)隊(duì)成員廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了4種對(duì)接方案設(shè)計(jì)和9種轉(zhuǎn)移方案設(shè)計(jì)，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種。胡震宇介紹，通過(guò)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(duì)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(huì)對(duì)接初始條件時(shí)，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(shí)現(xiàn)兩器剛性連接。眨個(gè)眼的工夫就要完成對(duì)接？還是在38萬(wàn)公里外的月球？這可是創(chuàng)紀(jì)錄、高難度的考驗(yàn)。

為驗(yàn)證方案樣機(jī)的功能，團(tuán)隊(duì)提出了吊掛式對(duì)接試驗(yàn)方案。把方案“變現(xiàn)”卻只有短短的幾個(gè)月的時(shí)間了，沒(méi)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(lái)。初樣研制兩年半的時(shí)間，迭代設(shè)計(jì)了3連套圖紙，研制了電性件、電測(cè)件、鑒定件等6大件。

印象深刻的是鑒定件的力學(xué)試驗(yàn)，產(chǎn)品潤(rùn)滑采用濺射二硫化鉬，這種特殊的鍍膜材料對(duì)濕度極度敏感。在上海的黃梅天，一場(chǎng)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(shí)，振動(dòng)廠房空調(diào)通宵轟鳴，50小時(shí)輪番上陣試驗(yàn)不停，就怕空調(diào)突然“罷工”，就怕試驗(yàn)后的運(yùn)輸遇到“雨神”眷顧。不眠不休不只是為了保證計(jì)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(jì)師、副總指揮，開(kāi)啟了上海嫦娥團(tuán)隊(duì)的探月之旅。

“當(dāng)時(shí)我們最需要的是方便面和一個(gè)整夜的覺(jué)?！痹O(shè)計(jì)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(gè)個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題，如何從無(wú)到有建立起一套完備的對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移仿真系統(tǒng)與硬件測(cè)試系統(tǒng)，總結(jié)起來(lái)就是四個(gè)字，無(wú)所畏懼。對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)現(xiàn)任主任設(shè)計(jì)師劉仲如是說(shuō)。人力資源不夠，就用加班充;地測(cè)設(shè)備不足，就自己研發(fā);直至今日，已經(jīng)沒(méi)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(duì)厲兵秣馬，卻意外等來(lái)了貯存的消息——由于發(fā)射計(jì)劃調(diào)整，探月三期任務(wù)推遲發(fā)射，軌道器隨探測(cè)器總體轉(zhuǎn)入貯存。2019年，經(jīng)過(guò)一年的貯存，當(dāng)軌道器團(tuán)隊(duì)再次整裝待發(fā)時(shí)，卻迎來(lái)第二次貯存的消息。面對(duì)兩次發(fā)射推遲，整個(gè)探月團(tuán)隊(duì)沉默了，但沉默不意味著消沉，沉下心的是誓保成功的堅(jiān)定信念。

既然為成功守候，那就逆流而上。在嫦娥五號(hào)副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷的帶領(lǐng)下，整個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)軌道器開(kāi)展全面深入的壽命分析，確保各個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證到位、過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)受控。在3年的貯存期間，嫦娥五號(hào)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(méi)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(duì)成員對(duì)于每一個(gè)可能的發(fā)射窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，制定詳細(xì)的方案，確保隨時(shí)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(jì)師趙晨成天追著能源的專家請(qǐng)教咨詢，不斷推翻又重新建立計(jì)算模型，一再細(xì)化各個(gè)飛行階段整器供電功率的時(shí)間軸，反復(fù)推演每個(gè)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(gè)目標(biāo)，能量平衡。團(tuán)隊(duì)每個(gè)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(duì)沒(méi)有停止對(duì)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(xiǎn)管控做得細(xì)之又細(xì)，已經(jīng)扎根在每個(gè)人的心里;把操作測(cè)試做得穩(wěn)妥可靠，把質(zhì)量工作做得全面堅(jiān)實(shí)，已經(jīng)是每個(gè)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(lái)還沒(méi)到過(guò)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)。”張玉花說(shuō)，深空探測(cè)和月球探測(cè)本身就十分有價(jià)值，探索的過(guò)程就意味著人類好奇心的驅(qū)動(dòng)和科技的進(jìn)步?！案珊教炀偷糜信荛L(zhǎng)跑的勁兒，這個(gè)周期很長(zhǎng)，每一秒都得咬著牙不能停?！?/p>