三維模擬動(dòng)畫圖。北京航天飛行控制中心供圖

2020年12月1日，在經(jīng)歷了為期一周的地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行之旅后，“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的著陸上升組合體成功實(shí)施在月面預(yù)定區(qū)域的軟著陸。歷經(jīng)主動(dòng)減速、快速調(diào)整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段，這穩(wěn)穩(wěn)的一落看似輕盈輕松，卻蘊(yùn)藏著“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器抓總研制單位航天科技集團(tuán)五院的眾多智慧和積淀。

GNC高精度關(guān)鍵技術(shù)

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)的落月和近月制動(dòng)一樣，都是只有一次機(jī)會(huì)，必須一次成功。由于涉及采樣后上升器的月面起飛，所以，“嫦娥五號(hào)”落月的過程也是為后續(xù)上升器月面起飛選擇“發(fā)射場(chǎng)”的過程。相較于“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”，“嫦娥五號(hào)”對(duì)于著陸點(diǎn)的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要一個(gè)著陸區(qū)域內(nèi)無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務(wù)要求。可以說，落月的過程就是邊飛行邊找尋落點(diǎn)，在15分鐘內(nèi)完成約600公里外的全程自主跳傘。

為了實(shí)現(xiàn)“選址正確，落得準(zhǔn)確”，“嫦娥五號(hào)”采用了五院502所已經(jīng)在“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”上應(yīng)用的“粗精接力避障”的方式，即502所研制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)的指揮下，著陸器和上升器組合體先是大推力反向制動(dòng)快速減速，然后快速調(diào)整姿態(tài)并對(duì)預(yù)定落區(qū)地形進(jìn)行拍照識(shí)別，避開大的障礙，實(shí)現(xiàn)“粗避障”，然后組合體在飛到距離月面100米時(shí)懸停，并再次對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行精確拍照，實(shí)現(xiàn)“精避障”，之后再斜向下飄向選定的著陸點(diǎn)，在移動(dòng)到著陸點(diǎn)正上方之后開始豎直下降，到距離月面較近時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，然后利用著陸腿的緩沖實(shí)現(xiàn)軟著陸。

著陸緩沖機(jī)構(gòu)顯身手

落月的關(guān)鍵在于平穩(wěn)二字。“嫦娥五號(hào)”著陸上升組合體在落月時(shí)，撞擊月面會(huì)形成較大的沖擊載荷，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的著陸緩沖系統(tǒng)，吸收著陸的沖擊載荷，保證探測(cè)器不翻倒、不陷落，這是落月的技術(shù)難題之一。著陸緩沖機(jī)構(gòu)，通俗地說就是“嫦娥五號(hào)”的“腿”。

這四條緩沖、支撐一體化的“腿”可不一般，它們來自于機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)的精心設(shè)計(jì)、巧手研制，更來源于“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”的完美基因。著陸緩沖機(jī)構(gòu)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面的問題。

與嫦娥三號(hào)的著陸緩沖設(shè)計(jì)方案相比，由于任務(wù)難度增加，“嫦娥五號(hào)”任務(wù)的著陸緩沖能力要求提高了30％，但機(jī)構(gòu)重量指標(biāo)卻減少了5％。這為總體設(shè)計(jì)部的團(tuán)隊(duì)成員帶來了不小的難題。面臨減重的難關(guān)，研制團(tuán)隊(duì)反復(fù)迭代，每次修改完設(shè)計(jì)，討論時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設(shè)計(jì)、繼續(xù)修改，最終成功滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)，確保了“嫦娥五號(hào)”穩(wěn)定可靠地完成與月球的親密擁抱。

經(jīng)濟(jì)的“外腦”“外眼”設(shè)計(jì)

在“嫦娥五號(hào)”的落月過程中還有兩個(gè)精妙的設(shè)計(jì)。一是雖然表面上看是著陸器“背著”上升器軟著陸到了月面上，但實(shí)際上整個(gè)落月的過程著陸器GNC系統(tǒng)的工作和智能自主的指揮過程都是借助了“外腦”和“外眼”，這個(gè)“外腦”和“外眼”分別就是上升器月面起飛時(shí)要用的“最強(qiáng)大腦”中央控制計(jì)算機(jī)，和通過“看星星”確定自己姿態(tài)的星敏感器，這是設(shè)計(jì)人員根據(jù)“上升器全程陪同著陸器”的實(shí)際想出的妙招，既節(jié)約了成本又減輕了重量。

二是由于距離月面較近時(shí)主發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)激起的月塵污染星敏感器，從而影響上升器月面起飛，所以研制團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了蓋子，在距離月面一定的高度時(shí)把星敏感器的鏡頭蓋起來，團(tuán)隊(duì)稱之為“天黑請(qǐng)閉眼”，待落月之后月塵散去再通知星敏感器把蓋子打開，這一睜一閉之間，著陸器和上升器組合體已經(jīng)順利著陸在月球之上了。

定向天線“一線牽”

落月牽動(dòng)著國人的心。38萬公里外的“嫦娥五號(hào)”正經(jīng)歷著什么樣的考驗(yàn)？所有的訊息，都需通過著陸上升組合體的一口小小的“鍋”來實(shí)時(shí)傳送遙測(cè)數(shù)據(jù)。這個(gè)“小鍋”就是定向天線——把探測(cè)器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴陌l(fā)射轉(zhuǎn)換裝置。

從月球把數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，通信的距離相比地面手機(jī)通信遠(yuǎn)了幾萬倍，這就需要采取特殊的對(duì)地定向天線來發(fā)送數(shù)據(jù)。五院總體設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就像人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)反射天線輻射器靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，確保“小鍋”始終對(duì)準(zhǔn)地面。為了使整器減重，此款反射面天線極致輕量化設(shè)計(jì)，相比同類天線減重40％以上，既輕便又可靠。