嫦娥五號探測器完美落月的背後

2020年12月1日,嫦娥五號探測器的着陸上升組合體歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落階段,成功完成在月面預定區域的軟着陸。這輕盈、穩健的一落,蘊藏着無數航天人的智慧和心血。

嫦娥五號探測器完美落月的背後

邊飛邊找落點

對於嫦娥五號來說,落月只有一次機會,必須一次成功。

相比嫦娥三號、四號,嫦娥五號對於着陸點的位置精度和平整度要求是空前的。由於涉及到采樣完成後上升器要在月面起飛,嫦娥五號挑選落點的過程,也是為後續上升器月面起飛選擇「發射場」的過程,其降落區域內不能有太高的凸起、太深的凹坑,坡度也需要符合任務要求。

簡單說,它是一邊飛行一邊尋找落點,如同一次從600公里外開始、在15分鍾內完成的自主「跳傘」。

為了實現「選址正確、落得准確」,嫦娥五號採用了已經在嫦娥三號和四號上成功應用的「粗精接力避障」方式。這種方式,是在由中國航天科技集團五院502所研製的制導導航與控制(GNC)系統指揮下,着陸上升組合體先大推力反向制動減速,然後快速調整姿態,對預定落區地形進行拍照識別,避開大的障礙,實現「粗避障」,之後再斜向落向選定的着陸點,飛到着陸點正上方後改為垂直下降,在接近月面時關閉發動機,落在月球上。

探查落月路徑的眼睛

GNC系統在進行決策時,離不開各種數據支持。由五院西安分院研製的微波測距測速敏感器,如同一雙明亮的眼睛,感知着嫦娥五號的落月路徑,並向決策「大腦」傳遞信息。

據西安分院微波測距測速敏感器主任設計師張愛軍介紹,這部雷達在着陸上升組合體距離月球表面約15公里時開機,在距離月面6公里時正式開始工作。

「該雷達可以探測着陸器與月球表面的距離,以及着陸器下降的速度,並向上升器的制導導航與控制系統提供速度和距離的信息,以便着陸器判斷降落的落點和速度。」張愛軍說。

落月發動機有絕招

發動機為嫦娥五號安全落月提供了動力保障。不過,靠普通宇航發動機,是無法完成月面安全軟着陸任務的。

記者從航天科技集團六院了解到,月球是真空狀態,沒有大氣,意味着不能利用空氣摩擦實現減速。為完成探測器動力下降、懸停等着陸階段動作,要求發動機具備推力深度調節能力。

2006年,六院正式啟動7500牛變推力發動機關鍵技術攻關。經過艱苦探索,研製團隊先後突破「高性能、長壽命推力室」「流量精確調節與穩定」和「發動機系統優化與集成」三大關鍵技術,發動機技術指標基本滿足探測器要求,為後續研製任務奠定了堅實基礎。

在7500牛變推力發動機鼎力支撐下,2013年12月,嫦娥三號探測器完成了我國首次地外天體軟着陸;2019年1月,嫦娥四號探測器實現人類首次月背軟着陸。這次,它又護送嫦娥五號着陸上升組合體平穩落在月球。

剎車指令員責任重大

嫦娥五號落月最後階段的發動機關機,需要有精準的指令。中國航天科工集團研製的γ關機敏感器,就是落月過程中的「剎車指令員」,責任重大。

落月過程開始後,置於嫦娥五號底部的γ關機敏感器便實時測量着探測器與月面的距離。當嫦娥五號落到距月面不足5米高度時,該設備發出關機指令,關閉軌控和姿控發動機。這一瞬間,決定着落月任務的成敗。隨着發動機反推力的撤離,嫦娥五號得以翩然落月。

據介紹,γ射線具備受外部環境干擾小、精度高等特點,因而被應用於對精度、可靠性要求最高的載人航天和探月任務中。此前,航天科工研製的γ高度控制裝置已經在神舟飛船任務中成功應用,護送航天員安全返回。

嫦娥五號的「腿」不一般

離開了發動機的反推,嫦娥五號是以自由落體形式着陸的。雖然月球引力較小,降落高度也不高,但撞擊月面時仍會形成一定沖擊載荷。

這就需要着陸緩沖系統發揮作用,吸收着陸時的沖擊載荷,同時保證探測器不翻倒、不陷落。

着陸緩沖機構,通俗地說就是嫦娥五號的「腿」,是落月環節的技術難題之一。嫦娥五號的4條「腿」可不一般,它們集緩沖、支撐功能於一體,繼承了嫦娥三號、四號的完美基因,由五院機構分系統團隊精心設計。

記者了解到,該機構採用具有完全自主知識產權的「偏置收攏、自我壓緊」式方案,保證了收攏簡單、展開可靠,能解決着陸緩沖、着陸穩定性等多方面問題。

與嫦娥三號的着陸緩沖設計方案相比,嫦娥五號任務由於難度增加,着陸緩沖能力要求提高了30%,但機構重量指標卻減少了5%。五院總體設計部研製團隊最終解決了這個難題。

你不知道的精妙設計

嫦娥五號落月過程中,還有一些鮮為人知的精妙設計。

從表面看,是着陸器「托着」上升器降落到月面,實際上,着陸器上GNC系統的工作,卻藉助了上升器上的中央控制計算機和星敏感器。

中央控制計算機是上升器在月面起飛時要用的「最強大腦」,星敏感器則能讓上升器通過「看星星」確定自己的姿態。

這樣的「合作」,是設計人員結合「上升器全程陪同着陸器」的實際想出的妙招,既節約了成本,又減輕了重量。

此外,當着陸器接近月面時,發動機激起的月塵容易讓星敏感器「迷眼」,從而影響後續上升器起飛。研製團隊專門設計了一個蓋子,可以在落月最後階段把星敏感器的鏡頭蓋起來,他們稱之為「天黑請閉眼」。待落月之後月塵散去,再讓星敏感器「睜眼」。

地月通信的橋梁

遠在38萬公里外經歷生死考驗的嫦娥五號,一舉一動都令國人牽掛。好在通過各種天線和數據傳輸手段,地面可以跟嫦娥五號保持聯系,隨時了解它的動態,向它發送指令。

在上升器上,裝有西安分院研製的測控天線,如同嫦娥五號隨身攜帶的手機,是它與地面之間測控通信的主要依靠。而着陸器拍攝的落月照片,則由該院研製的數傳系統實時傳回,為地面決策提供依據。

相比地面上的手機,地月通信距離遠了幾萬倍,數據發送需要採用特殊的對地定向天線。由五院總體設計部設計的定向天線採用雙軸驅動機構,就像人的肩、肘關節,能讓反射面天線輻射器靈活轉動,始終對准地面。為了滿足任務要求,反射面天線的設計輕量化到極致,相比同類天線減重了40%以上。

嫦娥五號探測器完美落月的背後

模擬動畫截圖。來源:中國航天科技集團五院

來源:cnBeta