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艺高胆大超级炫酷的“太空快递小哥”




作者:波音直营平台     发布时间:2020-11-28 06:22

  2020年11月24日4时30分,我国在文昌发射场用长征五号运载火箭,成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。嫦娥五号是我国探月工程“绕落回”三期任务的收官之战,将实现我国首次月球无人采样返回。

  嫦娥五号由轨道器、着陆器、上升器、返回器组成。其中,由中国航天科技集团有限公司八院研制的轨道器,将承担地月往返运输、月球轨道交会对接、样品容器转移等重任,就像一位艺高胆大、超级炫酷的“太空快递小哥”,从地球出发赶到38万公里外的月球轨道上,取一份来自月球的珍贵样品,再快递回地球。

  据中国航天科技集团八院嫦娥 五号探测器副总设计师查学雷介绍,轨道器的工作贯穿整个嫦娥五 号探测任务。

  发射升空后,这位“太空快递小哥”第一项任务是运输。作为一个自主飞行器,它负责携带着陆器、上升器和返回器,完成地月转移、中途修正和近月制动。进入环月轨道后,轨道器与着陆器上升器的组合体分离,携带返回器留在轨道上等候“取件”。

  着陆器与上升器组合体抵达月球,完成月壤样品的采集任务后,上升器携带样品从月面起飞,与等候在月球轨道的轨道器自主交会对接,并将携带的样品容器转移至返回器。与对接舱、上升器分离后,轨道器将携带返回器进入月地转移轨道;在距离地球5000公里处与返回器分离,将返回器投送回地球。

  “在嫦娥五号整个任务中,轨道器在轨共有5次分离、6种组合体状态,承担地月往返运输、器间分 离、交会对接与样品转移等关键任务,是目前最复杂的空间飞行器之一。”查学雷介绍说,担负重任的轨道器在技术上呈现“三多”特点: 一是飞行阶段多。轨道器参与运载发射、地月转移、近月制动、环 月运行、月面下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收等探测器系统11 个飞行阶段中的8个阶段。

  二是器间状态多。轨道器在飞行过程中有6种组合体状态,承担器间分离、交会对接与样品转移等 关键任务,多种组合体飞行状态器间接口复杂,轨道器任务过程要经历多次的变轨和姿态调整,轨道飞 行、姿态控制难度大,机、电、热接口可靠性要求高。

  三是分离次数多。轨道器要顺利完成地月转移,并将装有样品容器的返回器带回地球,整个过程涉 及5次分离,包括与火箭分离、与着陆上升组合体分离、与支撑舱分离、与对接舱上升器组合体分离、与返回器分离。在轨分离次数多,分离环境复杂,系统设计难度极大。

  作为嫦娥五号“飞天采样”任务中的一位“太空快递小哥”,轨道器最重要的一项任务是“取件”。在距离地球38万公里外的月球轨道上,轨道器与上升器自动交会对接,并将上升器里的样品转移到返回器。这是人类航天器首次在月球轨道上进行自动交会对接。对接与样品转移机构均由中国航天科技集团八院研制。

  据中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍,嫦娥五号轨道器与上升器采用的对接方式,与我国载人航天采用的对接方式有很大区别。载人航天采用的是“异体同构周边式对接机构”,两个航天器对接后形成80公分左右的通道,航天员可以在其中穿行。嫦娥五号采用的是“抱爪式对接机构”,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现对接与自动转移功能的一体化。这些设计理念均为世界首创,对接精度可以达到毫米级。

  “所谓抱爪式,就像我们的手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇解释说,“对接机构由3套K形抱爪构成,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器的 紧密连接。”

  当轨道器和上升器对接完成后,还需将上升器里装有月壤样品的容器转移到返回器。连杆棘爪式转移机构,可以巧妙地利用倒三角形构型的棘爪,通过伸缩,将容器逐渐移动到返回器中。

  据八院805所对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲介绍,由于月球轨道相对于地球轨道有时延,时间走廊较小,对时效性要求非常高,必须一气呵成完成对接与转移任务。所有步骤要在21秒内完成,1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为保证万无一失,研制团队做了35项故障预案,从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。

  为了完成极其复杂的月球无人取样返回任务,嫦娥五号好似一位“变形金刚”,需要在太空中完成“分离-组合-再分离-再组合”的变形过程。

  针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难、运载与发射场新等特点,八院的轨道器研制团队突破了多项关键技术,将这位“太空快递小哥”打造得铮铮铁骨、身轻如燕,艺高胆大、超级炫酷。

  为了保证组合状态下器与器连得稳固、分离过程中器与器安全可靠地分开,轨道器拥有5个分离面。研制团队摒弃了传统的舱段间连接方式,创新性采用了多点高强度的分离螺母进行连接。这种连接方式,通过在各分离面配置不同数量的分离螺母,以满足舱段间连接强度与刚度要求。同时,“双作动”分离螺母包含两套解锁机构,其中任意一套动作,就能确保分离面每一个分离点的可靠分离。

  轨道器采用了分舱段设计,各舱段都有对应的配电管理、热控管理、信息管理需求。研制团队创新提出分区域管理的分布式综合电子单机设计思想,以及整器电气管理的区域化、标准化、模块化设计思想。通过制定一系列标准规范,使综合电子系统从内到外整齐标准,灵活组装、易于拓展,跑得稳软件,传得好信号,点得起火工品,控得住机构。

  为了控制“体重”,轨道器在要求强大承载能力的同时,还必须“身轻如燕”。为此,研制团队首 次使用了大承载复杂构型轻量化结构;首次创新使用多次分离复杂构型;首次使用多冗余路径复合传力结构,首次采用大承载复合材料承力球冠技术等7项创新技术。仅46千克的承力球冠,能承载3吨贮箱,具备30吨的极限承载能力,堪比“鸡蛋壳上挂秤砣”。

  月球轨道对接与样品转移技术,是嫦娥五号“飞天取样返回”能否成功的关键技术之一。早在2011 年1月,八院805所就开始进行相关技术攻关和工程研制。研制团队突破了轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术,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。

  10年来,八院的研制团队先后进行了661次 对接测试、518次样品转移测试,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。

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