2020年12月17日凌晨1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)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(hào)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(shí)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(shì)攻堅(jiān)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(duì)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(tái)

嫦娥五號(hào)任務(wù)創(chuàng)造中國航天史上的五項(xiàng)“首次”，一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的點(diǎn)火起飛、精準(zhǔn)入軌，三是月球軌道無人交會(huì)對(duì)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(chǔ)、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(shí)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(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所在此次嫦娥五號(hào)探月任務(wù)中，承擔(dān)了交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)大型超平支撐平臺(tái)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(xiàng)關(guān)鍵部件與工裝的研制與生產(chǎn)工作，參加了嫦娥五號(hào)探測(cè)器熱控實(shí)施、裝配和地面保障工作，為嫦娥五號(hào)探測(cè)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(huì)對(duì)接，是決定嫦娥五號(hào)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(huì)對(duì)接技術(shù)，但與以往地球軌道交會(huì)對(duì)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(cè)器自身來解決。為了真實(shí)地驗(yàn)證“精準(zhǔn)接、無縫轉(zhuǎn)”的交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過程，需要在地面開展GNC 全物理仿真試驗(yàn)，而該試驗(yàn)便是2015年8月在天津市微低重力環(huán)境模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的。

地面交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)使用的敏感器和執(zhí)行器都是真實(shí)產(chǎn)品，要模擬它們?cè)谔窄h(huán)境中的對(duì)接狀態(tài)，需要用通過發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)電設(shè)備研究所研制了總面積達(dá)1200 平方米，單塊平臺(tái)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(tái)，也只有這么高的精度才能保證嫦娥五號(hào)的模擬器在平臺(tái)上進(jìn)行近乎無摩擦的運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證探測(cè)器交會(huì)對(duì)接過程中的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)。

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所在建設(shè)該平臺(tái)時(shí)，利用從下到上的地基、支撐機(jī)構(gòu)、平臺(tái)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(shì)，為此次嫦娥五號(hào)地面試驗(yàn)的順利完成提供了有力保障。

地基是整個(gè)大平臺(tái)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的根本，針對(duì)天津的地質(zhì)條件，天津航天機(jī)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(hào)水泥澆筑的方法，為整個(gè)大平臺(tái)建設(shè)提供了一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。為了加強(qiáng)設(shè)備基礎(chǔ)與支撐調(diào)節(jié)機(jī)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(tái)之間采用的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是天津航天機(jī)電設(shè)備研究所具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。每塊平臺(tái)下方由六套支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于三點(diǎn)確定一個(gè)平面，因此，其中三根為主支撐，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)平臺(tái)位姿；三根為輔助支撐，負(fù)責(zé)增加平臺(tái)的支撐剛度，1200 根支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證了開展試驗(yàn)的模擬器即便在最危險(xiǎn)工況下仍能順利通過拼接縫。

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

控制系統(tǒng)是平臺(tái)下方1200 個(gè)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的大腦，負(fù)責(zé)接收檢測(cè)車回傳的平臺(tái)水平度數(shù)據(jù)，并精確計(jì)算每個(gè)支撐的運(yùn)行量。天津航天機(jī)電設(shè)備研究所科研人員設(shè)計(jì)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(yàn)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(cè)車對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行精度測(cè)量和自動(dòng)調(diào)平，相比傳統(tǒng)人工檢測(cè)與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間從1—2 個(gè)月縮短到24 小時(shí)，大幅提高了工作效率和支撐平臺(tái)的保障能力。

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

“大型超平支撐平臺(tái)”的成功研制，使我國徹底告別了手工調(diào)試平臺(tái)的歷史，氣浮支撐平臺(tái)物理仿真一舉躍進(jìn)世界領(lǐng)先水平。后續(xù)，天津航天機(jī)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(tái)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(hào)探測(cè)器成功落月。12月3日，我國首次月面自動(dòng)采樣任務(wù)順利完成。此次嫦娥五號(hào)探測(cè)器自動(dòng)采樣任務(wù)采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式。其中，表取采樣任務(wù)的完成，采樣點(diǎn)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(shí)施，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所與五院總體設(shè)計(jì)部共同完成了嫦娥五號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器登陸月面后回傳的圖像信息，通過技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)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(diǎn)選擇與采樣策略的制定提供參考依據(jù)。

簡(jiǎn)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(hào)探測(cè)器的監(jiān)視相機(jī)從月面?zhèn)骰氐膱D像信息和點(diǎn)云數(shù)字三維重構(gòu)模型，采用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的頭戴式設(shè)備，對(duì)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(chǎng)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)電設(shè)備研究所科研人員，以項(xiàng)目影響度凝聚所內(nèi)以及天津本土的優(yōu)勢(shì)資源，在國內(nèi)首次將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(duì)嫦娥五號(hào)在月面完成采樣點(diǎn)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(cè)與小行星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的開展，提供思路和可借鑒的實(shí)施方案。