篤行十年，只為飛天攬?jiān)氯“淹粒虾：教齑蛟焓飞献铍y“探測(cè)器”
史博臻
“地球耕耘六萬載，嫦娥思鄉(xiāng)五千年”，中華民族對(duì)頭頂一輪彎月有著不可言說的“迷戀”，從神話故事中的“嫦娥奔月”“玉兔搗藥”、從“床前明月光”到“對(duì)影成三人”，這一輪陪伴了幾千年中華民族共同成長(zhǎng)的月亮，在2020年底，終于接到了“娘家人”，這一切離不開嫦娥五號(hào)飛天攬?jiān)碌膲雅e，這一仗，不僅僅是探月三期收官之戰(zhàn)，更是對(duì)中國(guó)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號(hào)研制團(tuán)隊(duì)十年奮斗的肯定，是無數(shù)次快要迷路時(shí)候，在希望與絕望不斷搖擺中最重要的那方指南針。
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2009年，探月工程三期展開立項(xiàng)論證，到底用什么構(gòu)型、到底取多少樣本？都是迫切關(guān)注的問題，當(dāng)時(shí)國(guó)際上已存有類似成功方案，蘇聯(lián)航天局共進(jìn)行了3次月球無人取樣返回計(jì)劃，共取回大約300多克月壤樣品，單次最高170克，與我國(guó)嫦娥五號(hào)一次采集兩公斤左右月球樣品差距較大。我國(guó)為什么以兩公斤作為取樣重量值，設(shè)計(jì)時(shí)候嫦娥五號(hào)探測(cè)器的重量就要達(dá)到8.2噸左右，如果增加取樣重量，探測(cè)器相應(yīng)的指標(biāo)也會(huì)大幅增加，這樣就會(huì)超過運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，因此兩公斤是較為合理的數(shù)值。
論證過程中，返回器、著陸器、上升器均有載人航天和探月工程一期、二期的研制基礎(chǔ)，由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院研制的“太空擺渡車”——軌道器可謂是白手起家。根據(jù)任務(wù)要求，嫦娥五號(hào)軌道器需在自身干重1噸多情況下，頭頂3.7噸的著陸上升組合體，肚裝3噸推進(jìn)劑和300多公斤的返回器，并在飛行過程中依次分離著陸上升組合體、對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)和返回器，是我國(guó)首個(gè)具有大承載，分離面多特點(diǎn)月球探測(cè)飛行器。為了達(dá)到構(gòu)型優(yōu)化與減重目標(biāo)，總體、結(jié)構(gòu)、熱控等多個(gè)系統(tǒng)展開頭腦風(fēng)暴，先后論證了十余種構(gòu)型，最后又收斂到四種構(gòu)型上進(jìn)行終極的PK。最終在繼承神舟飛船推進(jìn)艙外承力筒大構(gòu)型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了支撐艙、對(duì)接艙和推進(jìn)儀器艙的三艙構(gòu)型方案，實(shí)現(xiàn)了“頭頂”和“肚中”載荷兩條路線獨(dú)立傳遞，極大的提高了結(jié)構(gòu)承載效率；實(shí)現(xiàn)了支撐艙、對(duì)接艙專艙專用，用后即拋，既為后續(xù)任務(wù)的實(shí)施騰出通道，又減輕了質(zhì)量，節(jié)約了推進(jìn)劑。
“嫦娥五號(hào)”著陸器與上升器組合體成功采樣之后，攜帶月壤的上升器是無法利用自身的動(dòng)力返回地球的。必須通過“太空物流”的形式將貨物安全帶回。因此，采用類似“天宮”“神舟”這樣的交會(huì)對(duì)接方式是最好的“搭乘”辦法。按照計(jì)劃，在月球軌道，由上升器和軌道器完成首次月球軌道交會(huì)對(duì)接，并將珍貴的月球土壤樣品“包裹”轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。軌道器就像在月球軌道環(huán)繞的“郵差”，勤勤懇懇地完成“打包”和“裝箱”后，迅速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道執(zhí)行隔空投送，將月壤樣品捎回藍(lán)色星球。
想要收獲72變的本領(lǐng)，就要撐得住81難的考驗(yàn)
捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡(jiǎn)單的過程，但在38萬公里之外的飛行器上實(shí)現(xiàn)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡(jiǎn)單。與載人航天使用的近地軌道異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)相比，月球探測(cè)對(duì)探測(cè)器的質(zhì)量和空間要求更為嚴(yán)苛，重量要減小到周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的十五分之一左右，同時(shí)還要具備樣品容器捕獲和自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能，要求精度更高，過程更穩(wěn)。“作為世界首次月球軌道無人交會(huì)對(duì)接，可以說對(duì)此次任務(wù)成敗起決定性作用”，嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總指揮張玉花說，單從交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)來看，可靠性是要求最高的，因?yàn)檎麄€(gè)過程只能一次成功，沒有第二次機(jī)會(huì)。為了保證它的可靠性，對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)做了多重冗余，僅僅對(duì)接驗(yàn)證試驗(yàn)，地面就模擬了數(shù)千次，確保萬無一失。同時(shí)，月球軌道相對(duì)地球軌道有時(shí)延，時(shí)間走廊較小，對(duì)時(shí)效性要求非常高。環(huán)月軌道的交會(huì)對(duì)接任務(wù)需要在21秒內(nèi)完成，1秒捕獲，10秒校正，10秒鎖緊。樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)接口多，環(huán)節(jié)多，過程復(fù)雜。
嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹，樣品容器自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能是探測(cè)器系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一，必須萬無一失，且與前段對(duì)接過程高度匹配，才能實(shí)現(xiàn)樣品轉(zhuǎn)移的最終目標(biāo)。因此，對(duì)機(jī)構(gòu)的高精準(zhǔn)定位、轉(zhuǎn)移工作運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)互不干擾互相配合，難度已經(jīng)很大，更難的是如何在地面上驗(yàn)證月球軌道呢？高度自主的對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、微重力、弱撞擊等多種對(duì)接初始條件，每一項(xiàng)可靠性驗(yàn)證工作都匯集了一次次地面試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與無數(shù)次試驗(yàn)的重復(fù)。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制的深入，整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)三大測(cè)試系統(tǒng)先后投入使用，兩年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，6套產(chǎn)品4臺(tái)大型試驗(yàn)設(shè)備的初樣階段，661次對(duì)接和518次樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們重重闖關(guān)，攻堅(jiān)克難，踏上了10年的研發(fā)、制造與測(cè)試之路。精準(zhǔn)對(duì)接，無縫轉(zhuǎn)移，軌道器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)從無到有，披荊斬棘一路至今，做到堅(jiān)實(shí)的臂膀迎接上升器，溫和的轉(zhuǎn)移對(duì)待樣品容器，成就了飛天嫦娥樣品返回中極為重要的一環(huán)。
從2009年至2020年，805所開展了月球軌道交會(huì)對(duì)接與自動(dòng)樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)的攻關(guān)和工程研制，突破輕小型弱撞擊式對(duì)接技術(shù)、復(fù)雜接口自動(dòng)樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)、對(duì)接與轉(zhuǎn)移一體化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了輕量化設(shè)計(jì)、集成性高、對(duì)接精度高的輕小型對(duì)接技術(shù)及在多重約束條件下實(shí)現(xiàn)大行程物品自動(dòng)轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)難題，為探月三期任務(wù)的實(shí)施奠定技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)填補(bǔ)了我國(guó)在輕小型對(duì)接機(jī)構(gòu)工程化研究領(lǐng)域的空白。對(duì)接與在軌自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能一體化設(shè)計(jì)能夠更好的適應(yīng)深空無人探測(cè)和樣品采集、轉(zhuǎn)移等任務(wù)類型的需求，為我國(guó)后續(xù)大型衛(wèi)星近地軌道補(bǔ)給維護(hù)任務(wù)和其他深空探測(cè)任務(wù)等項(xiàng)目奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義。
“做了35項(xiàng)故障預(yù)案，最后一項(xiàng)也沒有用到”
探月工程三期任務(wù)最引人矚目的當(dāng)屬首次在38萬公里之外的月球軌道上進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，將裝有月壤的樣品容器從上升器轉(zhuǎn)移至返回器中。為了確保“抓得住，抱得緊，轉(zhuǎn)得穩(wěn)”的既定目標(biāo)，精準(zhǔn)可靠控制抓捕機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵。
雖然，在當(dāng)時(shí)有載人航天工程對(duì)接機(jī)構(gòu)的研制基礎(chǔ)，但是探月三期的對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，無論是功能還是性能都與異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)有很大差異，難度更大，精度和自主程度要求更高。在方案確定之前團(tuán)隊(duì)非常糾結(jié)，探月項(xiàng)目狀態(tài)復(fù)雜繼承性較弱，可參考的東西可以說只有“一頁紙”，為了完成技術(shù)攻關(guān)，軌道器副總師胡震宇與對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)時(shí)任主任設(shè)計(jì)師鄭云青帶領(lǐng)年輕的團(tuán)隊(duì)成員廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，開展了4種對(duì)接方案設(shè)計(jì)和9種轉(zhuǎn)移方案設(shè)計(jì)，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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，最終確定了現(xiàn)在的抱爪式對(duì)接方案和連桿棘爪轉(zhuǎn)移方案。
而對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)研制團(tuán)隊(duì)成立之初僅有3名航天老兵，2012年，為了驗(yàn)證原理樣機(jī)的對(duì)接功能，團(tuán)隊(duì)成員提出吊掛式對(duì)接試驗(yàn)，然后在短短幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就完成了設(shè)備的裝配和調(diào)試，很好地滿足了對(duì)接試驗(yàn)的需求，兩年半的初樣階段，對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)迭代設(shè)計(jì)了3套圖紙，相繼出爐了電性件、熱控件、電測(cè)件、結(jié)構(gòu)件、能力件、鑒定件6套產(chǎn)品。對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)副主任師劉仲說道：“我們構(gòu)建了整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、性能測(cè)試臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)四大測(cè)試系統(tǒng)，通過不斷地測(cè)試、優(yōu)化，確保自動(dòng)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過程的萬無一失。團(tuán)隊(duì)甚至在試驗(yàn)中故意加入小故障，讓對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)判別，進(jìn)行故障排除，確保整個(gè)過程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠。”
“每次見到他頭頂上一根根朝天沖的頭發(fā)，腦海中便會(huì)浮現(xiàn)出名將岳飛的那首《滿江紅》——怒發(fā)沖冠，憑闌處，瀟瀟雨歇。”但他卻不怒，多數(shù)時(shí)候都是爽朗的笑，如冬日暖陽。這是系統(tǒng)測(cè)試覆蓋性主管曹燕燕形容同是對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)副主任師王衛(wèi)軍的話，永遠(yuǎn)斗志昂揚(yáng)又活力滿滿，如火箭助推器般推動(dòng)著對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)這枚新星緩緩地飛往月球，駛向成功。對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移的大方案確定之后，技術(shù)指標(biāo)分解的任務(wù)就落在了王衛(wèi)軍的肩上。對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)雖然只劃分為主動(dòng)件和被動(dòng)件兩個(gè)單機(jī)，但主動(dòng)件下還包含3套抱爪機(jī)構(gòu)和2個(gè)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，每套抱爪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，均含有獨(dú)立的抱爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。3套抱爪機(jī)構(gòu)同步工作完成對(duì)接任務(wù)，2套轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)同步工作完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)。將對(duì)接和轉(zhuǎn)移任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)一步步分解到單機(jī)下屬的各個(gè)部組件，難度相當(dāng)大，需要具備很強(qiáng)的分析計(jì)算能力，但我們還是做到了。
在飛控歸來時(shí)，劉仲激動(dòng)的說：“為保證任務(wù)順利完成，我們做了35項(xiàng)故障預(yù)案，12月6號(hào)那天一項(xiàng)都沒有用上，這就是最好的結(jié)果”。
900多天歷經(jīng)兩次貯存，仿佛做了一場(chǎng)3年長(zhǎng)的夢(mèng)
一個(gè)能夠升起月亮的身體，必然馱住了無數(shù)次的日落，2017年，軌道器研發(fā)團(tuán)隊(duì)厲兵秣馬，卻意外等來了貯存的消息，由于發(fā)射計(jì)劃調(diào)整，探月三期任務(wù)推遲發(fā)射，軌道器隨探測(cè)器總體轉(zhuǎn)入貯存，2018年，經(jīng)過一年的貯存，當(dāng)軌道器研發(fā)團(tuán)隊(duì)再次整裝待發(fā)時(shí)，卻迎來第二次貯存的消息。軌道器如何貯存？長(zhǎng)期貯存后功能性能是否還能滿足要求的分析工作便落到了總體副主任設(shè)計(jì)師禹志的身上，這幾年中，禹志牽頭開展了軌道器壽命分析工作，確認(rèn)了10個(gè)分系統(tǒng)92臺(tái)套單機(jī)、非金屬原材料、元器件、金銀鍍層、潤(rùn)滑鍍層的貯存壽命以及數(shù)百個(gè)接插件的插拔次數(shù)壽命均能滿足2020年底發(fā)射的要求。他與團(tuán)隊(duì)多次奔赴北京參與論證軌道器長(zhǎng)期在京貯存方案，提出了軌道器貯存要求，明確了25張貯存器件的狀態(tài)檢查表格，驗(yàn)證貯存過程后整器功能性能不下降，確保了任務(wù)如期開展。
三年貯存，嫦娥五號(hào)經(jīng)歷5次加電自檢，用沉甸甸的數(shù)據(jù)證明軌道器功能性能沒有下降；經(jīng)歷多次發(fā)射窗口的變更與飛行程序的更改，團(tuán)隊(duì)成員對(duì)于每一個(gè)可能的發(fā)射窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，制定詳細(xì)的方案，確保隨時(shí)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。如今同事們還記得當(dāng)年趙晨成天追著能源的專家請(qǐng)教咨詢，不斷推翻又重新建立計(jì)算模型，一再細(xì)化各個(gè)飛行階段整器供電功率的時(shí)間軸，反復(fù)推演每個(gè)可能的發(fā)射窗口的飛行程序所需的能源需求，拿出一份份經(jīng)得起推敲的供電方案，只為一個(gè)目標(biāo)，能量平衡。團(tuán)隊(duì)每個(gè)人心里都有向往勝利的渴望，匯聚成砥礪前行的保成功力量，團(tuán)隊(duì)沒有停止對(duì)任務(wù)的多維度思考，多層次的梳理，為的是成功。把狀態(tài)控制做得嚴(yán)之又嚴(yán)，把飛控預(yù)案做得慎之又慎，把風(fēng)險(xiǎn)管控做得細(xì)之又細(xì)，已經(jīng)扎根在每個(gè)人的心里；把操作測(cè)試做得穩(wěn)妥可靠，把質(zhì)量工作做得全面堅(jiān)實(shí)，已經(jīng)是每個(gè)人的標(biāo)準(zhǔn)。
上得去、轉(zhuǎn)得動(dòng)、傳得穩(wěn)、拿得回，嫦娥五號(hào)任務(wù)的實(shí)施具有世界性跨時(shí)代的意義，這種“集群式”難點(diǎn)突破，不僅代表著航天人對(duì)一系列核心技術(shù)的正面攻關(guān)，也是人類首次實(shí)現(xiàn)環(huán)月軌道的無人對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移。就是這樣一群嚴(yán)肅、執(zhí)拗、鉆研、還很可愛的團(tuán)隊(duì)，扛起了探月三期的大旗。