文 / 趙聰

交會(huì)對(duì)接，顧名思義，軌返組合體和上升器，要先進(jìn)行交會(huì)，待距離為0時(shí)，再進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)過程可看作一次送貨，先引導(dǎo)“兩人”接頭，再完成貨品交接。

第一階段

引路：最初，軌返組合體和上升器相距甚遠(yuǎn)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)接，首先得找到對(duì)方。這就需要彼此建立聯(lián)系，告知對(duì)方位置。在引導(dǎo)下，軌返組合體加速去尋找上升器，兩者順利接上頭。

交會(huì)段分為遠(yuǎn)程導(dǎo)引段和近程自主控制段。

從上升器進(jìn)入交會(huì)對(duì)接初始軌道，到上升器位于軌返組合體前方約50公里、上方10公里左右的位置，為遠(yuǎn)程導(dǎo)引段，時(shí)長(zhǎng)約51個(gè)小時(shí)。

從上升器位于軌返組合體前方約50公里、上方10公里左右的位置，到上升器開始被軌道器的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲，為近程自主控制段，時(shí)長(zhǎng)不超過3.5個(gè)小時(shí)。在該階段，上升器與軌返組合體的距離從50公里到5公里、1公里，再到100米，直到兩器距離為0。

▲ 引路

▲ 接頭

技術(shù)難點(diǎn)：在遠(yuǎn)程導(dǎo)引段，需要對(duì)嫦娥五號(hào)軌返組合體和上升器的飛行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、測(cè)量和控制。北京航天飛行控制中心副主任賀軍介紹，這對(duì)深空測(cè)控提出兩個(gè)挑戰(zhàn)，一是測(cè)控的精度要求更高，必須做到“精測(cè)妙控”；二是將重要?jiǎng)幼靼才旁谠虑蛘孢M(jìn)行，避免信號(hào)遮擋。

探月三期工程中建立起來的深空測(cè)控網(wǎng)發(fā)揮了重要作用。為了成功實(shí)施嫦娥五號(hào)任務(wù)，我國(guó)在最西邊的新疆喀什深空站建設(shè)了4座35米口徑測(cè)控天線，在東北地區(qū)的黑龍江佳木斯深空站建設(shè)了66米口徑全可動(dòng)測(cè)控天線，在南美洲國(guó)家阿根廷的薩帕拉深空站建設(shè)了35米口徑測(cè)控天線。

2020年12月6日凌晨，交會(huì)對(duì)接時(shí)，北京航天飛行控制中心的現(xiàn)場(chǎng)不斷傳來這些地區(qū)的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。它們?yōu)殒隙鹞逄?hào)順利完成交會(huì)對(duì)接發(fā)揮了重要作用。

交會(huì)對(duì)接時(shí)，距離越近，地面深空測(cè)控網(wǎng)的支持難度就越大。為此，嫦娥五號(hào)應(yīng)用了多個(gè)“黑科技”測(cè)控儀器，確保軌返組合體和上升器在近程交會(huì)時(shí)，可以獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航。

王瓊介紹，“黑科技”測(cè)控儀器主要包括交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器、激光雷達(dá)和微波雷達(dá)。3種儀器可通過光學(xué)、激光和微波3種測(cè)量手段互相配合，智能自主地給軌返組合體和上升器“引路”。

第二階段

接頭：距離為0時(shí)，軌返組合體和上升器就正式面對(duì)面了。雙方握手、互認(rèn)，完成對(duì)接。

從軌道器的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲上升器，到12月6日5時(shí)42分兩器對(duì)接完成，時(shí)長(zhǎng)不超過5分鐘。

技術(shù)難點(diǎn)：嫦娥五號(hào)任務(wù)開始論證時(shí)，科研人員曾想過沿用載人航天使用的對(duì)撞式對(duì)接機(jī)構(gòu)（學(xué)名：異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)）。該機(jī)構(gòu)在對(duì)接后可形成一個(gè)80厘米左右的通道，方便航天員在其中穿行。

但考慮到嫦娥五號(hào)軌返組合體和上升器重量懸殊，前者比后者重很多，對(duì)撞過去，軌返組合體可能會(huì)把上升器撞飛。因此，在嫦娥五號(hào)對(duì)接方式上，科研人員轉(zhuǎn)變了思路。

來自航天科技集團(tuán)的嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號(hào)采用了抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)。對(duì)接機(jī)構(gòu)分為主動(dòng)件和被動(dòng)件兩部分，主動(dòng)件安裝在軌道器上，主要是3套“K”形抱爪，被動(dòng)件安裝在上升器上，主要是3根連桿。

抱爪式捕獲就像用手握棍。捕獲時(shí)，3套“K”形抱爪——好比6根手指兩兩組合，形成3對(duì)爪——只要對(duì)準(zhǔn)連接面上的3根連桿，抱爪一一收緊，就可以讓兩器牢牢抱緊。

“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)開始到交會(huì)對(duì)接，全部采用自動(dòng)控制?！辨隙鹞逄?hào)對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人劉仲說。

第三階段

交貨：對(duì)接完成后，軌返組合體和上升器開始“交接”月球樣品。

12月6日6時(shí)12分，上升器將裝有月球樣品的“罐子”成功轉(zhuǎn)移到了軌返組合體中的返回器上，樣品轉(zhuǎn)移過程持續(xù)30分鐘。

▲ 交貨

12月6日12時(shí)35分，完成樣品轉(zhuǎn)移使命的軌返組合體和上升器成功分離。隨后，軌返組合體進(jìn)入環(huán)月等待階段，擇機(jī)返回地球。

技術(shù)難點(diǎn)：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?，就是將上升器上裝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)?！辨隙鹞逄?hào)軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇介紹，軌道器上的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上有兩套倒三角形棘爪，裝有月球樣品的容器上有棘齒。棘爪卡住棘齒，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動(dòng)到返回器中。這個(gè)構(gòu)型很像我們經(jīng)常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，并且只能前進(jìn)不能后退。

在地面，研制團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了超過1000次樣品轉(zhuǎn)移測(cè)試，通過不斷地測(cè)試、優(yōu)化，確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過程萬無一失。

相關(guān)鏈接

為什么要在月球軌道“交接”

中國(guó)實(shí)施嫦娥五號(hào)任務(wù)之前，圍繞月球采樣返回的路徑，20世紀(jì)的人類給出了兩種答案。一種是美國(guó)模式，航天器在月球軌道上進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，航天員帶著月球樣品一起轉(zhuǎn)移，然后再返回地球；一種是蘇聯(lián)模式，航天器從月面起飛，跳過交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，直接飛回地球。兩者相比，蘇聯(lián)模式的技術(shù)難度更小。

如今，我國(guó)通過嫦娥五號(hào)任務(wù)首次采集月球樣品，在返回時(shí)，選擇了先在距離地球38萬公里的月球軌道實(shí)施交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移，再返回地球。這也是人類首次實(shí)施月球軌道的無人交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移。

為什么選擇了技術(shù)難度更大的方式？國(guó)家航天局探月與航天工程中心三期部副部長(zhǎng)王瓊說：“（這樣做）一是因?yàn)椴捎迷虑蜍壍澜粫?huì)對(duì)接的方式，可以提高月球樣品的采樣量；另一個(gè)原因是為將來載人登月等后續(xù)任務(wù)做技術(shù)鋪墊?！?/p>

在蘇聯(lián)3次月球采樣任務(wù)中，采樣量最大的是月球24號(hào)任務(wù)。它采用月面起飛直接返回方案，上升器需要攜帶返回艙以及推進(jìn)艙，從月球經(jīng)長(zhǎng)途跋涉回到地球。而嫦娥五號(hào)任務(wù)中，上升器只需攜帶樣品到達(dá)月球軌道即可，那里有貨運(yùn)量更大的“專車”接送。顯然，兩者相比，經(jīng)過月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移，我們可以帶回更多的月球樣品。

中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁介紹，早在10年前，我國(guó)論證嫦娥五號(hào)任務(wù)方案時(shí)，就確定了包括月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移階段的方案。“實(shí)際上，如果只是為了完成采樣返回任務(wù)，嫦娥五號(hào)系統(tǒng)可以做得簡(jiǎn)單很多。但考慮到未來的載人登月需求，我們確定了目前的方案，目的在于進(jìn)行更多的技術(shù)驗(yàn)證。”吳偉仁接受記者采訪時(shí)說。