嫦娥五號背后的故事：35項故障預案一項都沒用到

12月17日凌晨，嫦娥五號圓滿完成我國首次地外天體采樣返回任務，返回器攜帶珍貴的月壤樣品，在內蒙古四子王旗預定區(qū)域安全著陸。消息傳來，中國航天科技集團八院許多徹夜未眠的科技人員歡呼雀躍。“為保證任務順利完成，我們做了35項故障預案，最后一項都沒有用到，這就是最好的結果！”一位科技人員高興地說。

“輕裝上陣”背后的智能太空服

北京時間12月17日凌晨1時許，北京航天飛行控制中心通過地面測控站，向嫦娥五號軌道器和返回器組合體注入高精度導航參數(shù)。此后，軌道器與返回器在距南大西洋海平面高約5000公里處，正常解鎖分離，軌道器按計劃完成規(guī)避機動。

嫦娥五號軌道器由中國航天科技集團八院研制，共配備了39臺發(fā)動機，分布在艙體的各個位置。在整個任務階段，軌道器共歷經19個飛行階段、8種飛行姿態(tài)及5種不同的構型。

在整個任務飛行過程中，軌道器成功經受了太陽、月球和空間的高低溫交替考驗。溫度最低時，達到零下二百多攝氏度，最高時達到了1300多攝氏度。軌道器熱控系統(tǒng)由八院509所研制。

據(jù)509所熱控團隊主任設計師趙吉喆介紹，為了讓軌道器既能節(jié)約能源“輕裝上陣”，又能應對“時冷時熱”的嚴酷考驗，熱控團隊給軌道器穿上了“智能太空服”，開創(chuàng)性采用了一體輕量化熱設計理念、錯峰補償控溫策略和二次熱防護復合系統(tǒng)。

為了控制設備重量，設計團隊對熱管內部結構進行了優(yōu)化設計，新研制了微結構熱管，不僅質量更輕，而且傳熱能力增加達130%。團隊還把原本厚度統(tǒng)一的多層隔熱組件，改變?yōu)?ldquo;量體裁衣”，讓每臺設備穿上厚薄不同的“太空服”。

同時，將散熱涂層厚度減小了30%，設計了更輕、更薄的柔性散熱面，通過采用一體化熱設計理念，大大降低了熱控設計的重量。

通過大量的仿真試驗，熱控團隊探索出一套“錯峰補償”的控溫策略。通過對在軌衛(wèi)星海量運行數(shù)據(jù)的挖掘，推斷出熱控涂層等材料參數(shù)的空間影響因素和性能變化規(guī)律，建立準確的溫度場在軌預測模型。

摸準了每臺設備在軌溫度特性后，團隊“對癥下藥”。針對每臺設備提出熱控系統(tǒng)自主管理模式，實現(xiàn)熱控系統(tǒng)在近月制動、交會對接等關鍵階段的用電高峰期時，加熱功耗為零的目標，確保了嫦娥五號有充足的能源完成關鍵任務。

專家們表示，這些熱控的新技術、新理念，不僅成功為嫦娥五號保駕護航，今后還可望應用于遙感、深空探測等更多領域。

“月軌取件”背后的35項故障預案

在嫦娥五號任務中，軌道器成功完成了地月往返運輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉移等重要任務。如果將軌道器比喻為一位首次在月球軌道上成功取件的“太空快遞小哥”，這位“小哥”功成名就的背后，是八院研制團隊長達十年的辛勤付出。為了保證“小哥”在月球軌道上成功取件，研制團隊為它制定了35項故障預案。

據(jù)嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，為了實現(xiàn)軌道器與上升器“抓得住，抱得緊，轉得穩(wěn)”的既定目標，研究團隊曾廣泛調研了國內外對接機構的設計。共開展了4種對接方案設計和9種轉移方案設計，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種，通過多輪方案比較及關鍵技術攻關，最終確定采用“抱爪式對接機構”，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現(xiàn)對接與自動轉移功能的一體化。這種設計理念世界首創(chuàng)，對接精度達到毫米級。

據(jù)嫦娥五號對接與樣品轉移分系統(tǒng)副主任師劉仲介紹，對接與樣品轉移分系統(tǒng)分為主動件和被動件兩個單機。主動件包含3套抱爪機構和2個轉移機構，每套抱爪機構和轉移機構均為獨立驅動，均含有獨立的抱爪驅動機構和轉移驅動機構。3套抱爪機構同步工作完成對接任務，2套轉移機構同步工作完成樣品轉移任務。通過周密計算，技術指標一步步分解到單機下屬的各個部組件。

12月6日，軌道器與上升器在環(huán)月軌道上交會對接，按計劃在21秒內完成，1秒捕獲，10秒校正，10秒鎖緊，分秒不差，此后順利完成樣品轉移交接。“為保證任務順利完成，我們做了35項故障預案，結果一項都沒有用上，這就是最好的結果！”劉仲高興地說。

成功背后的661次對接和518次樣品轉移試驗

“天上一分鐘、地上十年功”。通過嫦娥五號發(fā)回的視頻，人們看到軌道器與上升器成功對接后，管狀的月壤樣品容器自動從上升器轉移到軌道器。這一過程看似簡單，實則也很復雜。

據(jù)嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹，順利完成樣品轉移交接，不僅需要對接機構高精準定位，轉移工作運動平穩(wěn)、連續(xù)、互不干擾、互相配合，更難的是如何在地面進行月球軌道的技術驗證？

為了在地面上開展驗證試驗，八院805所研制團隊構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失。

高度自主的對接與樣品轉移、微重力、弱撞擊等復雜的對接初始條件，每一項可靠性驗證工作，都匯集了一次次地面試驗方法的設計與無數(shù)次試驗的重復。團隊成員一次次在試驗中故意加入小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，他們累計共開展了661次對接和518次樣品轉移試驗。

從2009年至2020年，八院805所整整開展了十年的月球軌道交會對接與自動樣品轉移技術攻關和工程研制。突破了輕小型弱撞擊式對接技術、復雜接口自動樣品轉移技術、對接與轉移一體化技術等關鍵技術；解決了輕量化設計、集成性高、對接精度高的輕小型對接技術，及在多重約束條件下實現(xiàn)大行程物品自動轉移等關鍵技術難題，為我國探月三期任務實施奠定了技術基礎，同時填補了我國在輕小型對接機構工程化研究領域的空白。

專家們認為，對接與在軌自動轉移功能一體化設計，能夠更好的適應深空無人探測和樣品采集、轉移等任務類型的需求，為我國后續(xù)大型衛(wèi)星近地軌道補給維護任務，以及其他深空探測任務等項目奠定技術基礎，具有重要的戰(zhàn)略意義。（記者張建松）