“嫦娥五号”开启月球采样之旅西安硬科技贡献“最强大脑”

  2020年11月24日凌晨4时30分,在中国文昌航天发射场,长征五号遥五运载火箭成功将“嫦娥五号”月球探测器发射升空,开启了人类时隔48年的月球探测地月往返之旅。

  “嫦娥五号”的成功发射,标志着我国探月工程“绕、落、回”顺利迈出了最后一步,它将实现中国航天史上首次在月球表面自动采样,首次从月面起飞,首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,首次带月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

  据悉,这次任务不仅将创造中国多个“第一次”,也是工程难度最大、技术难度最高、关键环节最多的深空探测任务。位于西安的中国航天科技集团六院、五院西安分院、四院、九院771所,以及西安卫星测控中心等单位都在这次发射任务中承担了重要职责。

  航天科技集团六院:

  107台发动机为“嫦娥五号”探月返乡提供全程动力

  在“嫦娥五号”地月往返76万多公里的漫漫征程中,总部位于西安航天产业基地的中国航天科技集团第六研究院研制的107台大小发动机,为这次任务提供了所有动力。

  据六院专家介绍,发射嫦娥五号探测器的长征五号遥五运载火箭,配套了六院研制的30台火箭发动机。其中,8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级氢氧发动机,全部是我国新一代绿色环保发动机。除了这12台主发动机外,还有安装在火箭二级氧箱尾部的的辅助动力系统,它们由18台性能不一的姿控发动机以及配套气瓶、阀门、管路和贮箱组成,是唯一涵盖增压气体装置、输送系统、推进剂贮存装置和推力室的独立、完整的动力系统,负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。

  嫦娥五号探测器主要由着陆器、上升器、轨道器、返回器四器组成,六院为其中的轨道器、上升器和着陆器研制了三套推进分系统,该推进系统也是目前空间飞行器最复杂的推进系统。这三套推进分系统由77台大小不同、性能各异的轨姿控发动机组成。其中,轨道器上的一台3000N发动机,将为地月转移、月地转移中途修正、近月制动、离月加速提供推力。上升器上的另外一台3000N发动机,将为月面起飞提供推力,相当于月球上的一枚微缩版的运载火箭。一台7500N变推力发动机,将完成探测器着陆组合体在月面的软着陆任务。

  航天科技集团九院771所:

  为火箭和探测器制造“大脑”

  航天科技集团九院771所专家介绍,长征五号遥五运载火箭能够稳定飞行,离不开九院771所研制的箭载计算机。它相当于火箭的“大脑”,可以有条不紊地完成箭体参数录取、飞行轨迹误差修正,以及控制指令输出等多项复杂的控制任务,确保火箭稳定飞行。为保证火箭“大脑”健康,其内部还设计了特有的“听诊器”,能够自动“听诊”飞行控制软件运行过程中的各类重要参数,可及时、有效地发现系统中存在的隐患问题,为控制系统的故障定位提供判定依据。

  此外,771所还为嫦娥五号探测器上升器、返回器数管分系统的综合管理单元研制了核心部件CPU模块。该综合管理单元可实现星地通信、飞行过程中各设备的健康监测和任务执行管理、月面再发射、样品返回等重要功能。CPU模块是综合管理单元的“大脑”,是上升器、返回器的控制源头,负责控制各相关模块,使其正常运转。承担的功能有:测控应答机接收并执行地面发送的所有遥控直接指令;完成遥测数据的采集和遥控间接指令的分配,以及加热回路控制驱动;提供星上基准时间,采集各类遥测数据组帧下行等。

  嫦娥五号如何实现“九天摘月”?

  有业内专家表示,嫦娥五号月球采样返回任务,完全可以看做无人版的“阿波罗登月”。它是我国第一个地外取样返回的航天项目,将把月球上的土壤和岩石带回地球,堪称真正意义上的“九天摘月”。那么,嫦娥五号是如何实现“九天摘月”的?

  上升器、轨道器和着陆器 配套大小77台发动机

  据六院专家介绍,“嫦娥五号”主要由四个部分组成,分别是:着陆器、上升器、轨道器和返回器。为方便后续工作,这四个器又两两结合,形成了两个“团队”,一个负责“摘月”,一个负责“返地”。

  其中,上升器、轨道器和着陆器分别配套了六院研制生产的三套推进系统,共计77台发动机。上升器推进子系统,配套1台3000N发动机和20台姿控发动机;轨道器推进子系统,配套1台3000N发动机和38台姿控发动机;着陆器推进子系统,配套1台7500N变推力发动机和16台姿控发动机。这些发动机为探测器每一阶段任务提供着主要动力,以及俯仰、偏航、滚动的姿态指向控制力矩和轨道调整动力。

  进入环月轨道后 四器将分成“摘月”、“返地”两团队

  嫦娥五号执行任务的整个过程简单来说就是:进入地月轨道,轨道修正,近月制动进而被月球引力捕获,月面软着陆,采样,上升,对接和样品交接,携样返回地球。那么,推进系统具体是怎么发挥作用的?

  专家介绍,当“嫦娥五号”进入地月轨道后,轨道器上的推进子系统开始工作,对探测器进行轨道标定和中途修正,就像在大海中航行,推进子系统始终就像船帆,让探测器保持着正确的航向和航姿。

  几天后,“嫦娥五号”顺利抵达月球附近,轨道器上的3000N发动机将通过两次长时间点火,完成近月制动。并与38台姿控发动机一起,合力确保探测器处于正确的轨道和姿态指向。当“嫦娥五号”的飞行速度降到一定程度后,会被月球引力捕获,开始环月飞行。

  在环月飞行中,“摘月团队”和“返地团队”会分离开来。分离后,推进分系统会努力保持两个“团队”预先设定的飞行姿态,确保后续任务正常开展。

  这时,着陆器推进子系统的7500N变推力发动机将通过工作,降低“摘月团队”的飞行速度,16台姿控发动机维持其正常姿态,使其以足够小的速度实现月面软着陆。

  同时,轨道器推进子系统也将时刻保持“返地团队”在环月轨道的正确航向,让其完成拍照和着陆点选址工作。等时机合适,“摘月团队”再慢慢降低速度,缓缓降落在月面指定位置。

  为什么不采用地面指挥?因为从月球单边返回一条信息,需要1.3秒,地面收到后再经过几秒时间判断思考,指令传回地球,又是1.3秒,很浪费时间。所以,在“嫦娥三号”执行任务时,科学家就通过实践证明,人工智能自主决策能够实现让探测器的四条腿落在一个小平面上,安全着陆。即便面对“嫦娥四号”月背着陆点山多的特点,人工智能也顺利通过视频获得了月面数据,通过自主决策圆满完成了落月任务。因此可以说,现在的“嫦娥五号”已经有了自己的眼睛和大脑,具有自主行动能力。

  上升器月面起飞后 在环月轨道进行自主交会对接

  顺利落月后,“摘月团队”开启挖土取样任务。这期间推进子系统将不再工作,但发动机要默默承受月表严苛的温度环境。

  当任务顺利完成后,就要开始月面起飞了。这时,“摘月团队”这对组合也不得不单飞了:上升器推进子系统开始工作,3000N发动机提供起飞的主要动力,20台姿控发动机维持姿态指向,上升器带着月壤,以着陆器为发射平台直接起飞。当上升到一定高度,成功突破月球第一宇宙速度后,上升器就会离开月面,进入环月轨道。而着陆器则留在了月面,“陪伴”还在执行任务的“嫦娥四号”。

  由于上升器从地球出发时并未携带返回地球所用的全部燃料,所以它在月面起飞并入轨之后,只能进行短距离飞行。在上升器进入环月轨道后,轨道器推进子系统会提供主要动力,让“返地团队”能主动与其交会对接,从而将月壤转移到返回器上。

  这可是一次绝对的自主无人对接,针尖对针尖,要求相当精准。

  返回器通过大气流减速 通过二次再入技术回到地球

  当月壤成功转移后,上升器也就完成了使命,与“返地团队”分离,留在环月轨道上。而顺利接棒的“返地团队”抓住窗口时期,在轨道器上的3000N发动机长程点火作用下,获得较大的速度增量,从而达到第二宇宙速度,顺利脱离月球轨道,实现月地轨道转移,开启返回之旅。这一过程中,轨道器上的38台姿控发动机也将一路精准护航,使“返地团队”始终保持正确的姿态指向。

  最终,“返地团队”携带月壤以第二宇宙速度回到距离地球几千米的高度,返回器与轨道器分离。返回器通过大气流减速,通过二次再入技术回到地球,最后降落到我国北方的内蒙古草原上。

  整个过程就像一场紧张的接力赛,每一棒都环环相扣,不能有丝毫缺失。

  据悉,未来航天六院还将为嫦娥六号月球南极采样、嫦娥七号月球南极资源调查和月球探测、嫦娥八号技术试验等,提供更加精准强大的动力。

  嫦娥五号“绕落回”,全程谁来护航?

  嫦娥五号“九天摘月”全程谁来护航?据五院西安分院专家介绍,相比嫦娥三号、嫦娥四号任务,西安分院不仅对嫦娥五号这个“五妹”配备的微波测距测速敏感器、测控天线、数传子系统进行了升级,还新研制了交会对接微波雷达,帮助“五妹”的轨道器和上升器实现交会对接。为她实现“绕、落、回”全程护航。

  绕月阶段提供 “贴身手机”:

  测控天线助“五妹”畅连地月

  在距离地球38万公里之外,如何让嫦娥五号与地面建立顺畅的联系?这就要依靠西安分院研制的测控天线。

  在“五妹”的地月转移、变轨环月的绕月阶段,动力下降、上升器的月面工作阶段以及交会对接阶段,几乎所有的工作模式中都需要使用测控天线与地球进行测控通信。测控天线相当于“五妹”随身携带的“手机”,与月球之间的测控通信就主要依靠这部“手机”完成。

  西安分院为“五妹”装备的“手机”不仅要考虑听觉的范围,而且还要确保其不受周围其他设备的干扰。因此,设计人员对于测控天线在上升器上的布局做了充分的考虑,保证其有效工作的同时,要求天线在旋转180度范围内没有遮挡。同时,设计人员还针对落月过程中的羽流影响等因素,进行了天线机、电、热一体化设计,确保了测控天线能够在落月、月尘以及月球表面极端苛刻环境下可靠地工作。

  月面着陆提供“泊车雷达”:

  微波测距测速敏感器助“五妹”安全着陆

  在嫦娥五号抵达月球轨道后,着陆器将携带着上升器着陆于月球表面。能否安全着陆于月球表面,是任务的关键一步。西安分院为“五妹”研制的微波测距测速敏感器,相当于在着陆器上安装了一部“泊车雷达”。

  “这部雷达在着陆器距离月球表面15公里时正式开始工作,主要任务是测量着陆器与月球表面的距离以及着陆器下降的速度,并快速向上升器的制导、导航与控制分系统(GNC分系统)提供速度和距离信息,以便于着陆器判断降落的落点和速度。”西安分院微波测距测速敏感器主任设计师张爱军说,微波测距测速敏感器将极大方便“五妹”控制身姿顺利“泊车”。可以说,微波测。测速敏感器就是嫦娥五号探测器感知落月路的明亮双眼。

  拍了“靓照”帮助及时回传:

  传输一张5M照片最快仅需一秒钟

  探月之旅,拍照必不可少。“五妹”所携相机拍摄的照片如何及时传回地面,这就需要西安分院为嫦娥五号探测器研制的数传子系统。在着陆器准备着陆月球表面的时候,数传子系统就开始开机工作。它会将安装在着陆器上的相机拍摄的着陆画面以及数据信息实时传回地面,以便地面对落月的信息进行及时判断。在着陆器成功着陆月球表面后,安装在着陆器上的数传子系统会将月面工作段的采样图像、采样钻取的科学数据以及上升器起飞等过程的图像数据传输到地面,为任务的顺利推进提供决策参考。

  “为了提升数据传输效率,西安分院设计了自适应三档调节的方式,相当于为数据传输安装了三档‘闸门’,在传输高峰期使用数据量较小的传输方式,数传子系统从500k到5M的数据率都可以进行传输。按照最大传输速率来算,单纯传输一张5M的照片则只需要一秒钟。”数传子系统设计师张竞说。

  本次为“五妹”配备的数传子系统从功能上与嫦娥四号相当,但通过集成和小型化设计从重量和体积上对“五妹”进行了极大的“瘦身”。嫦娥四号数传子系统的重量为8公斤,而嫦娥五号数传子系统只有3.5公斤。

  返回阶段帮助交会对接:

  微波雷达助力38万公里外“穿针引线”

  上升器采集的月面样本,要成功交付给返回器并顺利带回地球,就必须通过交会对接才能完成。西安分院研制的交会对接微波雷达就是为距离地球38万公里外的“穿针引线”式的交会对接而设计的。它的作用相当于为这场太空“穿针引线”瞄“针眼”。

  当上升器携带着月壤样品返回环月轨道后,轨道器对上升器实施追踪。在追踪至100公里范围内时,交会对接微波雷达开始工作,由西安分院研制的交会对接微波雷达可以测量两个飞行器之间的相对距离、方位、俯仰角度及其变化。这些数据信息会源源不断地向轨道器的制导、导航与控制分系统(GNC分系统)这个中央处理器发送,为两器的交会对接提供实时信息。除了通过测距、测速和测角为太空“穿针引线”瞄“针眼”之外,交会对接微波雷达还可以实现两器之间的通信。从两器相距100公里之间建立通信链路一直到两器相距0.2米范围内,可以实现轨道器和上升器之间的双向通信,包括指令等一些信息都要通过器间的双向通信来实现。

  2014-2020 我国探月工程一步一个脚印

  我国从2004年正式开展月球探测,整个探月工程分为“绕”、“落”、“回”三个阶段。

  从2007年开始到2018年,我国相继发射了四颗月球探测器:

  2007年,“嫦娥一号”发射成功,完成了绕月飞行并对月球进行探测,拍到了我国月球探测工程第一幅月面图像。

  2010年,“嫦娥二号”发射成功,它是“嫦娥一号”的改进型,飞到距离地球1亿公里以外,得到了国际最高的7米分辨率全月图和月球虹湾地区1.5米高分辨率局部影像图,为“嫦娥三号”着陆找到了落脚点。

  2013年,“嫦娥三号”发射成功,它是我国第一个在地球以外的天体软着陆的无人探测器,拍到了人类时隔40多年后首次获得的最清晰的月面照片。

  2018年,“嫦娥四号”发射成功,它是“嫦娥三号”的备份型,是世界上首个成功在月背软着陆并进行巡视探测的航天器,截止目前工况正常且能量平衡,仍在继续“月背之旅”。

  2020年11月24日,肩负着采样返回使命的“嫦娥五号”发射成功,中国探月工程“绕、落、回”三大任务,将由它实现最后一小步。

  华商报记者 马虎振