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“地球耕耘六万载 ， 嫦娥思乡五千年” ， 中华民族对头顶一轮弯月有着不可言说的“迷恋” ， 从神话故事中的“嫦娥奔月”“玉兔捣药”、从“床前明月光”到“对影成三人” ， 这一轮陪伴了几千年中华民族共同成长的月亮 ， 在2020年底 ， 终于接到了“娘家人” ， 这一切离不开嫦娥五号飞天揽月的壮举 ， 这一仗 ， 不仅仅是探月三期收官之战 ， 更是对中国航天科技集团八院嫦娥五号研制团队十年奋斗的肯定 ， 是无数次快要迷路时候 ， 在希望与绝望不断摇摆中最重要的那方指南针 。
笃行十年 ， 只为飞天揽月取把土
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2009年 ， 探月工程三期展开立项论证 ， 到底用什么构型、到底取多少样本？都是迫切关注的问题 ， 当时国际上已存有类似成功方案 ， 苏联航天局共进行了3次月球无人取样返回计划 ， 共取回大约300多克月壤样品 ， 单次最高170克 ， 与我国嫦娥五号一次采集两公斤左右月球样品差距较大 。 我国为什么以两公斤作为取样重量值 ， 设计时候嫦娥五号探测器的重量就要达到8.2吨左右 ， 如果增加取样重量 ， 探测器相应的指标也会大幅增加 ， 这样就会超过运载火箭的运载能力 ， 因此两公斤是较为合理的数值 。
论证过程中 ， 返回器、着陆器、上升器均有载人航天和探月工程一期、二期的研制基础 ， 由中国航天科技集团八院研制的“太空摆渡车”——轨道器可谓是白手起家 。 根据任务要求 ， 嫦娥五号轨道器需在自身干重1吨多情况下 ， 头顶3.7吨的着陆上升组合体 ， 肚装3吨推进剂和300多公斤的返回器 ， 并在飞行过程中依次分离着陆上升组合体、对接与样品转移机构和返回器 ， 是我国首个具有大承载 ， 分离面多特点月球探测飞行器 。 为了达到构型优化与减重目标 ， 总体、结构、热控等多个系统展开头脑风暴 ， 先后论证了十余种构型 ， 最后又收敛到四种构型上进行终极的PK 。 最终在继承神舟飞船推进舱外承力筒大构型的基础上 ， 创新性提出了支撑舱、对接舱和推进仪器舱的三舱构型方案 ， 实现了“头顶”和“肚中”载荷两条路线独立传递 ， 极大的提高了结构承载效率；实现了支撑舱、对接舱专舱专用 ， 用后即抛 ， 既为后续任务的实施腾出通道 ， 又减轻了质量 ， 节约了推进剂 。
“嫦娥五号”着陆器与上升器组合体成功采样之后 ， 携带月壤的上升器是无法利用自身的动力返回地球的 。 必须通过“太空物流”的形式将货物安全带回 。 因此 ， 采用类似“天宫”“神舟”这样的交会对接方式是最好的“搭乘”办法 。 按照计划 ， 在月球轨道 ， 由上升器和轨道器完成首次月球轨道交会对接 ， 并将珍贵的月球土壤样品“包裹”转移至返回器内 。 轨道器就像在月球轨道环绕的“邮差” ， 勤勤恳恳地完成“打包”和“装箱”后 ， 迅速进入月地转移轨道执行隔空投送 ， 将月壤样品捎回蓝色星球 。
想要收获72变的本领 ， 就要撑得住81难的考验
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捕获、收拢、转移 ， 看似简单的过程 ， 但在38万公里之外的飞行器上实现却远远没有那么简单 。 与载人航天使用的近地轨道异体同构周边式对接机构相比 ， 月球探测对探测器的质量和空间要求更为严苛 ， 重量要减小到周边式对接机构的十五分之一左右 ， 同时还要具备样品容器捕获和自动转移功能 ， 要求精度更高 ， 过程更稳 。 “作为世界首次月球轨道无人交会对接 ， 可以说对此次任务成败起决定性作用” ， 嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说 ， 单从交会对接与样品转移任务来看 ， 可靠性是要求最高的 ， 因为整个过程只能一次成功 ， 没有第二次机会 。 为了保证它的可靠性 ， 对接与样品转移机构做了多重冗余 ， 仅仅对接验证试验 ， 地面就模拟了数千次 ， 确保万无一失 。 同时 ， 月球轨道相对地球轨道有时延 ， 时间走廊较小 ， 对时效性要求非常高 。 环月轨道的交会对接任务需要在21秒内完成 ， 1秒捕获 ， 10秒校正 ， 10秒锁紧 。 样品转移任务接口多 ， 环节多 ， 过程复杂 。
嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍 ， 样品容器自动转移功能是探测器系统的关键功能之一 ， 必须万无一失 ， 且与前段对接过程高度匹配 ， 才能实现样品转移的最终目标 。 因此 ， 对机构的高精准定位、转移工作运动平稳连续互不干扰互相配合 ， 难度已经很大 ， 更难的是如何在地面上验证月球轨道呢？高度自主的对接与样品转移、微重力、弱撞击等多种对接初始条件 ， 每一项可靠性验证工作都汇集了一次次地面试验方法的设计与无数次试验的重复 。 随着产品设计、研制的深入 ， 整机特性测试台、性能测试台、综合测试台三大测试系统先后投入使用 ， 两年的关键技术攻关 ， 6套产品4台大型试验设备的初样阶段 ， 661次对接和518次样品转移试验 ， 对接机构与样品转移分系统的设计师们重重闯关 ， 攻坚克难 ， 踏上了10年的研发、制造与测试之路 。 精准对接 ， 无缝转移 ， 轨道器对接与样品转移机构从无到有 ， 披荆斩棘一路至今 ， 做到坚实的臂膀迎接上升器 ， 温和的转移对待样品容器 ， 成就了飞天嫦娥样品返回中极为重要的一环 。
从2009年至2020年 ， 805所开展了月球轨道交会对接与自动样品转移技术的攻关和工程研制 ， 突破轻小型弱撞击式对接技术、复杂接口自动样品转移技术、对接与转移一体化技术等关键技术 ， 解决了轻量化设计、集成性高、对接精度高的轻小型对接技术及在多重约束条件下实现大行程物品自动转移的转移技术等关键技术难题 ， 为探月三期任务的实施奠定技术基础 ， 同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白 。 对接与在轨自动转移功能一体化设计能够更好的适应深空无人探测和样品采集、转移等任务类型的需求 ， 为我国后续大型卫星近地轨道补给维护任务和其他深空探测任务等项目奠定技术基础 ， 具有重要的战略意义 。
“做了35项故障预案 ， 最后一项也没有用到”
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探月工程三期任务最引人瞩目的当属首次在38万公里之外的月球轨道上进行交会对接 ， 将装有月壤的样品容器从上升器转移至返回器中 。 为了确保“抓得住 ， 抱得紧 ， 转得稳”的既定目标 ， 精准可靠控制抓捕机构和转移机构是关键 。
虽然 ， 在当时有载人航天工程对接机构的研制基础 ， 但是探月三期的对接与样品转移机构 ， 无论是功能还是性能都与异体同构周边式对接机构有很大差异 ， 难度更大 ， 精度和自主程度要求更高 。 在方案确定之前团队非常纠结 ， 探月项目状态复杂继承性较弱 ， 可参考的东西可以说只有“一页纸” ， 为了完成技术攻关 ， 轨道器副总师胡震宇与对接与样品转移分系统时任主任设计师郑云青带领年轻的团队成员广泛调研国内外对接机构设计 ， 开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计 ， 上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种 ， 通过多轮方案比较及关键技术攻关 ， 最终确定了现在的抱爪式对接方案和连杆棘爪转移方案 。
而对接与样品转移机构研制团队成立之初仅有3名航天老兵 ， 2012年 ， 为了验证原理样机的对接功能 ， 团队成员提出吊挂式对接试验 ， 然后在短短几个月的时间内就完成了设备的装配和调试 ， 很好地满足了对接试验的需求 ， 两年半的初样阶段 ， 对接与样品转移机构团队迭代设计了3套图纸 ， 相继出炉了电性件、热控件、电测件、结构件、能力件、鉴定件6套产品 。 对接与样品转移分系统副主任师刘仲说道：“我们构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统 ， 通过不断地测试、优化 ， 确保自动对接与样品转移过程的万无一失 。 团队甚至在试验中故意加入小故障 ， 让对接机构自动判别 ， 进行故障排除 ， 确保整个过程一气呵成、稳妥可靠 。 ”
“每次见到他头顶上一根根朝天冲的头发 ， 脑海中便会浮现出名将岳飞的那首《满江红》——怒发冲冠 ， 凭阑处 ， 潇潇雨歇 。 ”但他却不怒 ， 多数时候都是爽朗的笑 ， 如冬日暖阳 。 这是系统测试覆盖性主管曹燕燕形容同是对接机构与样品转移分系统副主任师王卫军的话 ， 永远斗志昂扬又活力满满 ， 如火箭助推器般推动着对接与样品转移机构这枚新星缓缓地飞往月球 ， 驶向成功 。 对接与样品转移的大方案确定之后 ， 技术指标分解的任务就落在了王卫军的肩上 。 对接与样品转移分系统虽然只划分为主动件和被动件两个单机 ， 但主动件下还包含3套抱爪机构和2个转移机构 ， 每套抱爪机构和转移机构均为独立驱动 ， 均含有独立的抱爪驱动机构和转移驱动机构 。 3套抱爪机构同步工作完成对接任务 ， 2套转移机构同步工作完成样品转移任务 。 将对接和转移任务的技术指标一步步分解到单机下属的各个部组件 ， 难度相当大 ， 需要具备很强的分析计算能力 ， 但我们还是做到了 。
在飞控归来时 ， 刘仲激动的说：“为保证任务顺利完成 ， 我们做了35项故障预案 ， 12月6号那天一项都没有用上 ， 这就是最好的结果” 。
900多天历经两次贮存 ， 仿佛做了一场3年长的梦
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一个能够升起月亮的身体 ， 必然驮住了无数次的日落 ， 2017年 ， 轨道器研发团队厉兵秣马 ， 却意外等来了贮存的消息 ， 由于发射计划调整 ， 探月三期任务推迟发射 ， 轨道器随探测器总体转入贮存 ， 2018年 ， 经过一年的贮存 ， 当轨道器研发团队再次整装待发时 ， 却迎来第二次贮存的消息 。 轨道器如何贮存？长期贮存后功能性能是否还能满足要求的分析工作便落到了总体副主任设计师禹志的身上 ， 这几年中 ， 禹志牵头开展了轨道器寿命分析工作 ， 确认了10个分系统92台套单机、非金属原材料、元器件、金银镀层、润滑镀层的贮存寿命以及数百个接插件的插拔次数寿命均能满足2020年底发射的要求 。 他与团队多次奔赴北京参与论证轨道器长期在京贮存方案 ， 提出了轨道器贮存要求 ， 明确了25张贮存器件的状态检查表格 ， 验证贮存过程后整器功能性能不下降 ， 确保了任务如期开展 。
三年贮存 ， 嫦娥五号经历5次加电自检 ， 用沉甸甸的数据证明轨道器功能性能没有下降；经历多次发射窗口的变更与飞行程序的更改 ， 团队成员对于每一个可能的发射窗口进行设计复核 ， 制定详细的方案 ， 确保随时执行发射任务 。 如今同事们还记得当年赵晨成天追着能源的专家请教咨询 ， 不断推翻又重新建立计算模型 ， 一再细化各个飞行阶段整器供电功率的时间轴 ， 反复推演每个可能的发射窗口的飞行程序所需的能源需求 ， 拿出一份份经得起推敲的供电方案 ， 只为一个目标 ， 能量平衡 。 团队每个人心里都有向往胜利的渴望 ， 汇聚成砥砺前行的保成功力量 ， 团队没有停止对任务的多维度思考 ， 多层次的梳理 ， 为的是成功 。 把状态控制做得严之又严 ， 把飞控预案做得慎之又慎 ， 把风险管控做得细之又细 ， 已经扎根在每个人的心里；把操作测试做得稳妥可靠 ， 把质量工作做得全面坚实 ， 已经是每个人的标准 。
上得去、转得动、传得稳、拿得回 ， 嫦娥五号任务的实施具有世界性跨时代的意义 ， 这种“集群式”难点突破 ， 不仅代表着航天人对一系列核心技术的正面攻关 ， 也是人类首次实现环月轨道的无人对接与样品转移 。 就是这样一群严肃、执拗、钻研、还很可爱的团队 ， 扛起了探月三期的大旗 。
【嫦娥|笃行十年，只为飞天揽月取把土，上海航天打造史上最难“探测器”】作者：史博臻
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