賈璇 王秉陽

11月24日，嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。

嫦娥五號正在執(zhí)行的是我國探月工程第六次任務(wù)，計劃實(shí)現(xiàn)月面自動采樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學(xué)研究。

根據(jù)日、地、月的運(yùn)動關(guān)系，以及工程各種約束條件，嫦娥五號任務(wù)的總周期是22至23天，各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣。

從嫦娥五號發(fā)射入軌到返回器再入回收，一共要經(jīng)歷11個飛行階段：發(fā)射入軌階段、地月轉(zhuǎn)移階段、近月制動階段、環(huán)月飛行階段、著陸下降階段、月面工作階段、月面上升階段、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移階段、環(huán)月等待階段、月地轉(zhuǎn)移階段和再入回收階段。

截至12月10日，嫦娥五號圓滿完成第8個階段的任務(wù)，正式踏上回家之旅。

嫦娥五號遠(yuǎn)赴月球打包“土特產(chǎn)”的難點(diǎn)是什么？如何挖土和打包？怎么帶回來？帶著這些問題，《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者分別采訪了中國航天科技集團(tuán)有限公司五院（以下簡稱“五院”）和中國航天科技集團(tuán)有限公司八院（以下簡稱“八院”）的相關(guān)負(fù)責(zé)人。

在月球挖土有多難？

作為中國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號將實(shí)現(xiàn)中國航天史上五個“首次”：首次地外天體的采樣與封裝，首次地外天體的起飛，首次月球軌道交會對接，首次攜帶樣品高速再入地球，首次樣品的存儲、分析和研究。

11月30日，嫦娥五號任務(wù)飛行控制團(tuán)隊按計劃實(shí)施嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離。凌晨4時40分，在科技人員精確控制下，嫦娥五號探測器組合體順利分離。

12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預(yù)選著陸區(qū)，并傳回著陸影像圖。

成功著陸后，著陸器在地面控制下，進(jìn)行了太陽翼和定向天線展開等狀態(tài)檢查與設(shè)置工作，采集月球樣品，這個過程被網(wǎng)友稱為“挖土”。

作為嫦娥五號探測任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動采樣封裝是任務(wù)中最引人注目的一個環(huán)節(jié)。

嫦娥五號本次任務(wù)是，采集約2千克月球樣本并帶回地球，這是1975年以來人類首次開展此類月球探測采樣活動。

為了完成此項任務(wù)，五院的設(shè)計師們采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式，精心設(shè)計了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。

記者從五院總體設(shè)計部獲悉，嫦娥五號隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將科學(xué)分工，精密配合，采取深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾土等各種方式，采集約2千克月壤并進(jìn)行密封封裝，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等過程將月球樣品送回地球。

首次月面采樣面臨多重困難。

記者了解到，首先采樣裝置為全新研制，技術(shù)新、難度大，需要考慮飛行任務(wù)以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束;其次，采樣期間面臨月面高溫的工作環(huán)境，同時采樣任務(wù)時序緊張、機(jī)構(gòu)動作多、不確定因素多。此外，著陸器著陸后不能移動，鉆取采樣裝置正下方的地面到底是松軟的土壤，還是堅硬的巖石，都具有不確定性，也都影響著采樣計劃的順利完成。

為確保首次月面采樣任務(wù)順利完成，五院研制團(tuán)隊多措并舉，不僅對月面采樣過程進(jìn)行了聯(lián)合設(shè)計分析，確定了先鉆后表、器地協(xié)同的工作程序，以及器上操作、地面測控和地面物理驗證三位一體的飛控模式，而且還設(shè)計了遙控工作、預(yù)編程工作和半自主工作3種工作模式，確保采樣過程的可靠性。此外，各單機(jī)還開展了相應(yīng)的環(huán)境試驗和專項試驗，子系統(tǒng)開展了鉆取、表取和密封封裝專項試驗，驗證了單機(jī)及子系統(tǒng)的功能性能。

通過幾百次試驗，數(shù)十種工況模擬，多次“三位一體”模式的采樣封裝演練，研制團(tuán)隊想方設(shè)法，全力以赴，確保了我國首次月面自動采樣任務(wù)順利完成。

月壤打包完成！ 人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉(zhuǎn)移

據(jù)國家航天局消息，經(jīng)過約19小時的月面工作， 嫦娥五號于12月2日22時，順利完成月面自動采樣，按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

12月3日23 時10 分，嫦娥五號上升器 3000N發(fā)動機(jī)工作約6分鐘，成功將攜帶樣品的上升器送入到近月點(diǎn)環(huán)月軌道。

月面上升階段完成后，嫦娥五號需要先實(shí)現(xiàn)人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉(zhuǎn)移，它將利用軌道器上的對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，將采集的月球土壤從上升器轉(zhuǎn)運(yùn)到返回艙中。

據(jù)八院相關(guān)人士介紹，雖同樣名為“交會對接”，但嫦娥五號采用的對接方式與我們所熟悉的載人航天采用的對接方式卻有很大的區(qū)別。

與近地軌道的任務(wù)不同，月球探測對探測器的質(zhì)量和空間有嚴(yán)苛限制，嫦娥五號的“抱爪式”對接機(jī)構(gòu)必須做到小而精，其重量要減小到“周邊式”對接機(jī)構(gòu)的十五分之一。同時，它還要具備樣品容器捕獲、自動轉(zhuǎn)移功能，重量更輕、精度更高、過程更穩(wěn)。

“所謂的抱爪，其實(shí)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?！辨隙鹞逄栜壍榔骷夹g(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(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接。

“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(shí)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)。”八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹說。

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(shí)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)。”對接機(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>

據(jù)介紹，嫦娥五號“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)”屬于一個分系統(tǒng)，該分系統(tǒng)包括軌道器“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)（主動件）”，和上升器“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)（被動件）”。

上升器從月球表面起飛后，進(jìn)入交會對接階段。分系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成軌道器與上升器之間的對接與保持，并負(fù)責(zé)完成樣品容器在軌自動轉(zhuǎn)移，為樣品返回做準(zhǔn)備。

影響月球土壤“打包”成敗的關(guān)鍵因素是對接機(jī)構(gòu)中對接環(huán)的運(yùn)動位置精度和對中性。

據(jù)八院149廠（以下簡稱“149”廠）特級技師王曙群介紹，此次對接樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但功能卻一樣都沒少，對裝配中的測量數(shù)量、精度等要求更高。

“在通常情況下，我們裝配的時候會限制產(chǎn)品在6個方面的自由度，確保月壤在轉(zhuǎn)移過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是試驗中，卻發(fā)生了產(chǎn)品轉(zhuǎn)移‘卡殼的現(xiàn)象?！?149廠技師吳駿說。

隨后，團(tuán)隊對整個系統(tǒng)的傳送運(yùn)動軌跡和路徑進(jìn)行了仔細(xì)分析，提出將限位減少到兩個自由度，即左右和旋轉(zhuǎn)的自由度。

同時，將原本圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”，在確保產(chǎn)品裝配精度要求的情況下，使轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在運(yùn)作的過程中不走偏，并且流暢地完成每一個指令和動作。

通過實(shí)踐證實(shí)，這個方法大大提高了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置精度，使各個位置的精度誤差均不大于5微米。

按照計劃，交會對接與樣品轉(zhuǎn)移階段完成后，嫦娥五號帶著2千克月球土將進(jìn)入環(huán)月等待階段，踏上回歸之路。

明星團(tuán)隊再出手，90后成主操作手

據(jù)介紹，嫦娥五號“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)”屬于一個分系統(tǒng)，該分系統(tǒng)包括軌道器“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)（主動件）”，和上升器“對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)（被動件）”。

上升器從月球表面起飛后，進(jìn)入交會對接階段。分系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成軌道器與上升器之間的對接與保持，并負(fù)責(zé)完成樣品容器在軌自動轉(zhuǎn)移，為樣品返回做準(zhǔn)備。

此次負(fù)責(zé)嫦娥五號對接任務(wù)的團(tuán)隊，可謂是明星團(tuán)隊。

11月24日，在2020年全國勞動模范和先進(jìn)工作者表彰大會上，149廠特級技師王曙群被中宣部、全國總工會授予2020年“最美職工”，成為今年上海唯一的當(dāng)選者。

據(jù)了解，王曙群及其團(tuán)隊潛心16年攻克技術(shù)難關(guān)，保障“太空之吻”順利完成，即神舟八號飛船和天宮一號目標(biāo)飛行器實(shí)現(xiàn)中國載人航天工程首次空間交會對接試驗，被稱為“大國工匠”。

在本次嫦娥五號任務(wù)中，王曙群起用團(tuán)隊中的骨干力量，以“特級技師+青年技能人員”合力參與總裝研制的方法，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊“人才復(fù)制”。

此次，作為團(tuán)隊主操作手的吳駿，自2011年初參加工作后，就一直在團(tuán)隊中成長，如今已是新生代“90后”技師的佼佼者。

據(jù)149廠副總經(jīng)理陸海濱介紹，要想從一名普通的總裝人員成長為型號研制的主操作手，先后需要經(jīng)歷零部件裝配、單機(jī)裝配、部套裝配（分三級）、產(chǎn)品總裝等6個過程。一般需要5年、8年，甚至是10年。