篤行十年，只為飛天攬月取把土，上海航天打造史上最難“探測器”

史博臻

“地球耕耘六萬載，嫦娥思鄉(xiāng)五千年”，中華民族對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“對影成三人”，這一輪陪伴了幾千年中華民族共同成長的月亮，在2020年底，終于接到了“娘家人”，這一切離不開嫦娥五號飛天攬月的壯舉，這一仗，不僅僅是探月三期收官之戰(zhàn)，更是對中國航天科技集團八院嫦娥五號研制團隊十年奮斗的肯定，是無數(shù)次快要迷路時候，在希望與絕望不斷搖擺中最重要的那方指南針。

篤行十年，只為飛天攬月取把土

2009年，探月工程三期展開立項論證，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)時國際上已存有類似成功方案，蘇聯(lián)航天局共進行了3次月球無人取樣返回計劃，共取回大約300多克月壤樣品，單次最高170克，與我國嫦娥五號一次采集兩公斤左右月球樣品差距較大。我國為什么以兩公斤作為取樣重量值，設(shè)計時候嫦娥五號探測器的重量就要達(dá)到8.2噸左右，如果增加取樣重量，探測器相應(yīng)的指標(biāo)也會大幅增加，這樣就會超過運載火箭的運載能力，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)，由中國航天科技集團八院研制的“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、對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)和返回器，是我國首個具有大承載，分離面多特點月球探測飛行器。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)型上進行終極的PK。最終在繼承神舟飛船推進艙外承力筒大構(gòu)型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了支撐艙、對接艙和推進儀器艙的三艙構(gòu)型方案，實現(xiàn)了“頭頂”和“肚中”載荷兩條路線獨立傳遞，極大的提高了結(jié)構(gòu)承載效率；實現(xiàn)了支撐艙、對接艙專艙專用，用后即拋，既為后續(xù)任務(wù)的實施騰出通道，又減輕了質(zhì)量，節(jié)約了推進劑。

“嫦娥五號”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”這樣的交會對接方式是最好的“搭乘”辦法。按照計劃，在月球軌道，由上升器和軌道器完成首次月球軌道交會對接，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

捕獲、收攏、轉(zhuǎn)移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外的飛行器上實現(xiàn)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡單。與載人航天使用的近地軌道異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)相比，月球探測對探測器的質(zhì)量和空間要求更為嚴(yán)苛，重量要減小到周邊式對接機構(gòu)的十五分之一左右，同時還要具備樣品容器捕獲和自動轉(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對接，可以說對此次任務(wù)成敗起決定性作用”，嫦娥五號探測器副總指揮張玉花說，單從交會對接與樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)來看，可靠性是要求最高的，因為整個過程只能一次成功，沒有第二次機會。為了保證它的可靠性，對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)做了多重冗余，僅僅對接驗證試驗，地面就模擬了數(shù)千次，確保萬無一失。同時，月球軌道相對地球軌道有時延，時間走廊較小，對時效性要求非常高。環(huán)月軌道的交會對接任務(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。

嫦娥五號探測器副總設(shè)計師查學(xué)雷介紹，樣品容器自動轉(zhuǎn)移功能是探測器系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一，必須萬無一失，且與前段對接過程高度匹配，才能實現(xiàn)樣品轉(zhuǎn)移的最終目標(biāo)。因此，對機構(gòu)的高精準(zhǔn)定位、轉(zhuǎn)移工作運動平穩(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證月球軌道呢？高度自主的對接與樣品轉(zhuǎn)移、微重力、弱撞擊等多種對接初始條件，每一項可靠性驗證工作都匯集了一次次地面試驗方法的設(shè)計與無數(shù)次試驗的重復(fù)。隨著產(chǎn)品設(shè)計、研制的深入，整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺三大測試系統(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臺大型試驗設(shè)備的初樣階段，661次對接和518次樣品轉(zhuǎn)移試驗，對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)的設(shè)計師們重重闖關(guān)，攻堅克難，踏上了10年的研發(fā)、制造與測試之路。精準(zhǔn)對接，無縫轉(zhuǎn)移，軌道器對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)從無到有，披荊斬棘一路至今，做到堅實的臂膀迎接上升器，溫和的轉(zhuǎn)移對待樣品容器，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對接與自動樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)的攻關(guān)和工程研制，突破輕小型弱撞擊式對接技術(shù)、復(fù)雜接口自動樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)、對接與轉(zhuǎn)移一體化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了輕量化設(shè)計、集成性高、對接精度高的輕小型對接技術(shù)及在多重約束條件下實現(xiàn)大行程物品自動轉(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)的實施奠定技術(shù)基礎(chǔ)，同時填補了我國在輕小型對接機構(gòu)工程化研究領(lǐng)域的空白。對接與在軌自動轉(zhuǎn)移功能一體化設(shè)計能夠更好的適應(yīng)深空無人探測和樣品采集、轉(zhuǎn)移等任務(wù)類型的需求，為我國后續(xù)大型衛(wèi)星近地軌道補給維護任務(wù)和其他深空探測任務(wù)等項目奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義。

“做了35項故障預(yù)案，最后一項也沒有用到”

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行交會對接，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)可靠控制抓捕機構(gòu)和轉(zhuǎn)移機構(gòu)是關(guān)鍵。

雖然，在當(dāng)時有載人航天工程對接機構(gòu)的研制基礎(chǔ)，但是探月三期的對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)，無論是功能還是性能都與異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)有很大差異，難度更大，精度和自主程度要求更高。在方案確定之前團隊非常糾結(jié)，探月項目狀態(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接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)時任主任設(shè)計師鄭云青帶領(lǐng)年輕的團隊成員廣泛調(diào)研國內(nèi)外對接機構(gòu)設(shè)計，開展了4種對接方案設(shè)計和9種轉(zhuǎn)移方案設(shè)計，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)在的抱爪式對接方案和連桿棘爪轉(zhuǎn)移方案。

而對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)研制團隊成立之初僅有3名航天老兵，2012年，為了驗證原理樣機的對接功能，團隊成員提出吊掛式對接試驗，然后在短短幾個月的時間內(nèi)就完成了設(shè)備的裝配和調(diào)試，很好地滿足了對接試驗的需求，兩年半的初樣階段，對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)團隊迭代設(shè)計了3套圖紙，相繼出爐了電性件、熱控件、電測件、結(jié)構(gòu)件、能力件、鑒定件6套產(chǎn)品。對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)副主任師劉仲說道：“我們構(gòu)建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉(zhuǎn)移過程的萬無一失。團隊甚至在試驗中故意加入小故障，讓對接機構(gòu)自動判別，進行故障排除，確保整個過程一氣呵成、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)時候都是爽朗的笑，如冬日暖陽。這是系統(tǒng)測試覆蓋性主管曹燕燕形容同是對接機構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)副主任師王衛(wèi)軍的話，永遠(yuǎn)斗志昂揚又活力滿滿，如火箭助推器般推動著對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)這枚新星緩緩地飛往月球，駛向成功。對接與樣品轉(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。對接與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)雖然只劃分為主動件和被動件兩個單機，但主動件下還包含3套抱爪機構(gòu)和2個轉(zhuǎn)移機構(gòu)，每套抱爪機構(gòu)和轉(zhuǎn)移機構(gòu)均為獨立驅(qū)動，均含有獨立的抱爪驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)移驅(qū)動機構(gòu)。3套抱爪機構(gòu)同步工作完成對接任務(wù)，2套轉(zhuǎn)移機構(gòu)同步工作完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)。將對接和轉(zhuǎn)移任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)一步步分解到單機下屬的各個部組件，難度相當(dāng)大，需要具備很強的分析計算能力，但我們還是做到了。

在飛控歸來時，劉仲激動的說：“為保證任務(wù)順利完成，我們做了35項故障預(yù)案，12月6號那天一項都沒有用上，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3年長的夢

一個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)團隊厲兵秣馬，卻意外等來了貯存的消息，由于發(fā)射計劃調(diào)整，探月三期任務(wù)推遲發(fā)射，軌道器隨探測器總體轉(zhuǎn)入貯存，2018年，經(jīng)過一年的貯存，當(dāng)軌道器研發(fā)團隊再次整裝待發(fā)時，卻迎來第二次貯存的消息。軌道器如何貯存？長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個分系統(tǒng)92臺套單機、非金屬原材料、元器件、金銀鍍層、潤滑鍍層的貯存壽命以及數(shù)百個接插件的插拔次數(shù)壽命均能滿足2020年底發(fā)射的要求。他與團隊多次奔赴北京參與論證軌道器長期在京貯存方案，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，團隊成員對于每一個可能的發(fā)射窗口進行設(shè)計復(fù)核，制定詳細(xì)的方案，確保隨時執(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教咨詢，不斷推翻又重新建立計算模型，一再細(xì)化各個飛行階段整器供電功率的時間軸，反復(fù)推演每個可能的發(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，只為一個目標(biāo)，能量平衡。團隊每個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，團隊沒有停止對任務(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)險管控做得細(xì)之又細(xì)，已經(jīng)扎根在每個人的心里；把操作測試做得穩(wěn)妥可靠，把質(zhì)量工作做得全面堅實，已經(jīng)是每個人的標(biāo)準(zhǔn)。

上得去、轉(zhuǎn)得動、傳得穩(wěn)、拿得回，嫦娥五號任務(wù)的實施具有世界性跨時代的意義，這種“集群式”難點突破，不僅代表著航天人對一系列核心技術(shù)的正面攻關(guān)，也是人類首次實現(xiàn)環(huán)月軌道的無人對接與樣品轉(zhuǎn)移。就是這樣一群嚴(yán)肅、執(zhí)拗、鉆研、還很可愛的團隊，扛起了探月三期的大旗。

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