2020年11月24日凌晨4時30分,由航天科技集團(tuán)五院(以下簡稱五院)抓總研制的嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn),將實現(xiàn)我國首次月球無人采樣返回任務(wù),意義重大、影響深遠(yuǎn)、舉世矚目。這也是五院成功發(fā)射的第300顆航天器。
▲嫦娥五號探測器
作為我國探月三期工程采樣返回任務(wù)的核心,嫦娥五號探測器是迄今為止我國研制的最為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)之一,由軌道器、返回器、著陸器、上升器4器組成,包含15個分系統(tǒng)。在此次任務(wù)中,嫦娥五號將實現(xiàn)月面自動采樣返回,月球樣品地面分析研究等任務(wù)目標(biāo)。
發(fā)射成功后,嫦娥五號將經(jīng)過11個階段、20余天的在軌飛行過程,采集約2kg月球樣品返回地球。
諸多難點及鮮明特點
嫦娥五號探測器具有著陸器落月、月表采樣、月球起飛、軌道對接、樣品轉(zhuǎn)移、返回器返回等多個環(huán)節(jié),飛行程序非常復(fù)雜,技術(shù)性能要求嚴(yán)格,研制工作事關(guān)我國探月三期工程的成敗,諸多難點、風(fēng)險點為研制團(tuán)隊帶來巨大的挑戰(zhàn)。
●組合體分離面多。該探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成。相較于神舟飛船和嫦娥三號均只有兩個部分需要分離,即兩個分離面,嫦娥五號探測器由于一次發(fā)射要完成采樣與返回任務(wù),因此,技術(shù)要求上決定了該探測器具有軌道器和著陸器組合體、著陸器和上升器組合體、軌道器和返回器組合體、軌道器和支撐艙以及軌道器與對接支架5個分離面,這些分離面均只有一次性工作的特點,任何一次分離出問題,都將給任務(wù)的實施帶來災(zāi)難性的后果。
●控制過程細(xì)節(jié)嚴(yán)謹(jǐn)。嫦娥五號無人采樣器通過采樣鉆頭深入月球內(nèi)部和采樣機(jī)械臂月球表面采樣兩種方法獲取月球樣品后,需要轉(zhuǎn)移到上升器里,上升器與軌道器對接后,又要將上升器里面的樣品通過軌道器轉(zhuǎn)移到返回器里面,整個環(huán)節(jié)必須分毫不差,絲絲相扣,天衣無縫,任何環(huán)節(jié)控制不精細(xì),都將影響任務(wù)的完成。
●技術(shù)環(huán)節(jié)多,研制難度大。整個月面采樣返回過程涉及到月表樣品轉(zhuǎn)移、月面垂直上升、月球軌道交會對接等關(guān)鍵技術(shù)。雖然我國已掌握空間交會對接技術(shù),但以往神舟飛船與天宮一號交會對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進(jìn)行的,而嫦娥五號探測器將在距地球38萬公里的月球軌道上,完成上升器與軌道器的交會對接,無法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的幫助,這就需要突破月球軌道精確測控技術(shù)、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對接等技術(shù);同時,嫦娥五號探測器實施月表采樣返回任務(wù)后,著陸器將留在月球表面,上升器留在月球軌道,軌道器留在地球軌道,最終,返回器攜帶樣品返回地球表面,如此復(fù)雜的技術(shù)環(huán)節(jié),都是對研制團(tuán)隊的全新挑戰(zhàn)。
●溫度控制要求高。月球表面白天溫度約零上180攝氏度,夜間零下150攝氏度,晝夜溫差約330攝氏度,無人采樣器既要應(yīng)對300多度溫差的月面生存挑戰(zhàn),工作時還要承受高溫炙烤,對產(chǎn)品性能和可靠性提出了嚴(yán)峻考驗。
●減重壓力大。由于運載火箭的運載能力對嫦娥五號探測器的重量有嚴(yán)格的約束,處于控制重量的需要,必須對探測器所有分系統(tǒng)進(jìn)行“瘦身”,同時,又要減少備份產(chǎn)品,這就要求在無備份的情況下高度可靠的工作,研制隊伍面臨著最大限度的減輕重量,又要確保質(zhì)量可靠性的雙重壓力;還有,如何對上述難點所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗驗證,也需要一系列的技術(shù)創(chuàng)新和探索。
六大關(guān)鍵環(huán)節(jié)
嫦娥五號探測器任務(wù)技術(shù)難點主要表現(xiàn)在軌道設(shè)計、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、月地入射、地球大氣高速再入返回等六個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
★關(guān)鍵一:軌道設(shè)計復(fù)雜。嫦娥五號探測器飛行階段多,各階段軌道方案耦合緊密,軌道設(shè)計受到測控、運載和著陸場的限制,約束條件多,各飛行階段軌道在控制和測定軌精度能力有限的情況下,匹配精度要求高;飛行過程還涉及月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)移等新的飛行階段,飛行過程復(fù)雜,軌道設(shè)計難度大;同時,軌道設(shè)計結(jié)果對采樣點選擇及熱控、供配電等分系統(tǒng)的方案設(shè)計有直接的影響。在標(biāo)稱軌道設(shè)計方案的同時,還需要在推進(jìn)劑資源受限的情況下,制定各種故障預(yù)案,對軌道設(shè)計是一個全新的挑戰(zhàn)。
★關(guān)鍵二:月面采樣封裝技術(shù)新。采樣封裝是嫦娥五號月球無人采樣返回任務(wù)的核心環(huán)節(jié)之一。月面采樣封裝任務(wù)采用表鉆結(jié)合、多點采樣的方式,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;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。
★關(guān)鍵三:月面起飛上升驗證難。上升器基于著陸平臺的月面起飛需解決月面起飛初始基準(zhǔn)與起飛平臺姿態(tài)不確定、發(fā)動機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限、地月環(huán)境差異帶來的驗證技術(shù)難度大等問題。由上升器、著陸器和月面構(gòu)成的月面起飛系統(tǒng),其初始狀態(tài)源自著陸上升組合體著陸月面的場坪條件、著陸的姿態(tài)和方位等條件,月面起飛初始條件無法像運載火箭、導(dǎo)彈一樣在地面發(fā)射前由地面人員完成測調(diào)和確認(rèn),而必須依靠自主定位定姿方法確定起飛的初始狀態(tài)。面對技術(shù)難題,需要明確起飛穩(wěn)定性的各項因素及其耦合的影響,依靠精確的定姿能力完成空中對準(zhǔn)以實現(xiàn)精確入軌。與常規(guī)的航天器面臨的羽流影響不同,起飛上升發(fā)動機(jī)在受限空間點火引起的復(fù)雜邊界條件下羽流力熱效應(yīng)問題突出,需要通過大量的地面仿真和試驗對其開展驗證。月面環(huán)境的特殊性,低重力、高真空等環(huán)境模擬使得地面驗證較為困難。
★關(guān)鍵四:月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移自主要求高。與近地軌道交會對接不同,嫦娥五號交會對接無衛(wèi)星導(dǎo)航信號支持,對接和樣品轉(zhuǎn)移過程自主性要求高。需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設(shè)計;同時,月球交會對接過程中,地面測控支持能力受限,受到對接機(jī)構(gòu)大小的限制,對接精度的要求較高。交會對接飛行過程階段劃分、近距離高精度相對位姿控制和相對測量敏感器的輕小型化設(shè)計是月球軌道交會對接GNC的技術(shù)難點;嫦娥五號探測器的對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)采用弱撞擊式對接機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)中必須同時考慮樣品轉(zhuǎn)移裝置的設(shè)計,保證對接精度滿足樣品轉(zhuǎn)移的相關(guān)要求。對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計是對接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)研究中的難點。
★關(guān)鍵五:月地入射精度要求高。月地入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機(jī)動,使軌返組合體進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道,由于月地關(guān)系的不斷變化,月地入射窗口及入射點位置均受到嚴(yán)格約束,為理論上的零窗口;同時,月地入射的精度在一定程度上決定了返回器再入點精度,影響返回器的安全著陸,控制精度要求高。
★關(guān)鍵六:地球大氣高速再入返回速度高。嫦娥五號任務(wù)中,最終攜帶樣品以接近第二宇宙速度返回地球的返回器對任務(wù)的成敗至關(guān)重要。嫦娥五號探測器再入返回設(shè)計繼承了飛行試驗器的設(shè)計,任務(wù)的再入航程與飛行試驗器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定的不確定性,有可能影響返回器的質(zhì)量特性,對返回器GNC控制的健壯性提出了較高的要求。
艱辛的研制歷程
從立項到發(fā)射,嫦娥五號經(jīng)歷了10年的艱辛奮戰(zhàn)。圍繞上述關(guān)鍵核心技術(shù)和諸多難點、風(fēng)險點,五院在充分研究繼承五院低軌道衛(wèi)星、高軌道衛(wèi)星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸器與返回等現(xiàn)有航天器研制技術(shù)精華的基礎(chǔ)上,聯(lián)合參研單位集中最強陣容攻克難關(guān),先后突破了月表采樣任務(wù)所涉及到的20余項關(guān)鍵技術(shù)和總體設(shè)計優(yōu)化技術(shù)、地面試驗驗證技術(shù),實現(xiàn)了方案設(shè)計步步優(yōu)化,減輕重量克克計較,多種手段摸清規(guī)律,數(shù)十項試驗驗證全方位考核性能,從而,確保了嫦娥五號探測器方案設(shè)計合理,各項功能性能滿足任務(wù)的要求,研制過程技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量受控。
回顧三千六百多個日夜,一個個重大的時間節(jié)點,一幕幕難忘的重要事件,歷歷在目。
2011年1月
國務(wù)院正式批復(fù)立項,嫦娥五號探測器啟動研制工作
2012年12月
完成嫦娥五號探測器系統(tǒng)方案階段研制總結(jié)評審,轉(zhuǎn)入初樣研制階段
2015年12月
完成嫦娥五號探測器系統(tǒng)初樣研制總結(jié)及正樣設(shè)計評審,轉(zhuǎn)入正樣研制階段
2020年7月
嫦娥五號探測器空運抵達(dá)發(fā)射場,此后開展了將近5個月的發(fā)射場工作
2020年11月24日
嫦娥五號探測器一飛沖天,發(fā)射取得圓滿成功。
讓我們
共同期待
嫦娥五號后續(xù)的精彩旅程
共同祝福
她榮耀歸來!