完美落月的背后

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◎ 科技日报记者 付毅飞
2020 年 12 月 1 日，嫦娥五号探测器的着陆上升组合体历经主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落阶段，成功完成在月面预定区域的软着陆。
拍摄：王永亮
这轻盈、稳健的一落，蕴藏着无数航天人的智慧和心血。
边飞边找落点
对于嫦娥五号来说，落月只有一次机会，必须一次成功。
相比嫦娥三号、四号，嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度要求是空前的。由于涉及到采样完成后上升器要在月面起飞，嫦娥五号挑选落点的过程，也是为后续上升器月面起飞选择 " 发射场 " 的过程，其降落区域内不能有太高的凸起、太深的凹坑，坡度也需要符合任务要求。
简单说，它是一边飞行一边寻找落点，如同一次从 600 公里外开始、在 15 分钟内完成的自主 " 跳伞 "。
为了实现 " 选址正确、落得准确 "，嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上成功应用的 " 粗精接力避障 " 方式。这种方式，是在由中国航天科技集团五院 502 所研制的制导导航与控制（GNC）系统指挥下，着陆上升组合体先大推力反向制动减速，然后快速调整姿态，对预定落区地形进行拍照识别，避开大的障碍，实现 " 粗避障 "，之后再斜向落向选定的着陆点，飞到着陆点正上方后改为垂直下降，在接近月面时关闭发动机，落在月球上。
探查落月路径的眼睛
GNC 系统在进行决策时，离不开各种数据支持。由五院西安分院研制的微波测距测速敏感器，如同一双明亮的眼睛，感知着嫦娥五号的落月路径，并向决策 " 大脑 " 传递信息。
据西安分院微波测距测速敏感器主任设计师张爱军介绍，这部雷达在着陆上升组合体距离月球表面约 15 公里时开机，在距离月面 6 公里时正式开始工作。
" 该雷达可以探测着陆器与月球表面的距离，以及着陆器下降的速度，并向上升器的制导导航与控制系统提供速度和距离的信息，以便着陆器判断降落的落点和速度。" 张爱军说。
落月发动机有绝招
发动机为嫦娥五号安全落月提供了动力保障。不过，靠普通宇航发动机，是无法完成月面安全软着陆任务的。
记者从航天科技集团六院了解到，月球是真空状态，没有大气，意味着不能利用空气摩擦实现减速。为完成探测器动力下降、悬停等着陆阶段动作，要求发动机具备推力深度调节能力。
2006 年，六院正式启动 7500 牛变推力发动机关键技术攻关。经过艰苦探索，研制团队先后突破 " 高性能、长寿命推力室 "" 流量精确调节与稳定 " 和 " 发动机系统优化与集成 " 三大关键技术，发动机技术指标基本满足探测器要求，为后续研制任务奠定了坚实基础。
在 7500 牛变推力发动机鼎力支撑下，2013 年 12 月，嫦娥三号探测器完成了我国首次地外天体软着陆；2019 年 1 月，嫦娥四号探测器实现人类首次月背软着陆。这次，它又护送嫦娥五号着陆上升组合体平稳落在月球。
刹车指令员责任重大
嫦娥五号落月最后阶段的发动机关机，需要有精准的指令。中国航天科工集团研制的 γ 关机敏感器，就是落月过程中的 " 刹车指令员 "，责任重大。
落月过程开始后，置于嫦娥五号底部的 γ 关机敏感器便实时测量着探测器与月面的距离。当嫦娥五号落到距月面不足 5 米高度时，该设备发出关机指令，关闭轨控和姿控发动机。这一瞬间，决定着落月任务的成败。随着发动机反推力的撤离，嫦娥五号得以翩然落月。
据介绍，γ 射线具备受外部环境干扰小、精度高等特点，因而被应用于对精度、可靠性要求最高的载人航天和探月任务中。此前，航天科工研制的 γ 高度控制装置已经在神舟飞船任务中成功应用，护送航天员安全返回。
嫦娥五号的 " 腿 " 不一般
离开了发动机的反推，嫦娥五号是以自由落体形式着陆的。虽然月球引力较小，降落高度也不高，但撞击月面时仍会形成一定冲击载荷。
这就需要着陆缓冲系统发挥作用，吸收着陆时的冲击载荷，同时保证探测器不翻倒、不陷落。
着陆缓冲机构，通俗地说就是嫦娥五号的 " 腿 "，是落月环节的技术难题之一。嫦娥五号的 4 条 " 腿 " 可不一般，它们集缓冲、支撑功能于一体，继承了嫦娥三号、四号的完美基因，由五院机构分系统团队精心设计。
记者了解到，该机构采用具有完全自主知识产权的 " 偏置收拢、自我压紧 " 式方案，保证了收拢简单、展开可靠，能解决着陆缓冲、着陆稳定性等多方面问题。
与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比，嫦娥五号任务由于难度增加，着陆缓冲能力要求提高了 30%，但机构重量指标却减少了 5%。五院总体设计部研制团队最终解决了这个难题。
你不知道的精妙设计
嫦娥五号落月过程中，还有一些鲜为人知的精妙设计。
从表面看，是着陆器 " 托着 " 上升器降落到月面，实际上，着陆器上 GNC 系统的工作，却借助了上升器上的中央控制计算机和星敏感器。
中央控制计算机是上升器在月面起飞时要用的 " 最强大脑 "，星敏感器则能让上升器通过 " 看星星 " 确定自己的姿态。
这样的 " 合作 "，是设计人员结合 " 上升器全程陪同着陆器 " 的实际想出的妙招，既节约了成本，又减轻了重量。
此外，当着陆器接近月面时，发动机激起的月尘容易让星敏感器 " 迷眼 "，从而影响后续上升器起飞。研制团队专门设计了一个盖子，可以在落月最后阶段把星敏感器的镜头盖起来，他们称之为 " 天黑请闭眼 "。待落月之后月尘散去，再让星敏感器 " 睁眼 "。
地月通信的桥梁
远在 38 万公里外经历生死考验的嫦娥五号，一举一动都令国人牵挂。好在通过各种天线和数据传输手段，地面可以跟嫦娥五号保持联系，随时了解它的动态，向它发送指令。
在上升器上，装有西安分院研制的测控天线，如同嫦娥五号随身携带的手机，是它与地面之间测控通信的主要依靠。而着陆器拍摄的落月照片，则由该院研制的数传系统实时传回，为地面决策提供依据。
相比地面上的手机，地月通信距离远了几万倍，数据发送需要采用特殊的对地定向天线。由五院总体设计部设计的定向天线采用双轴驱动机构，就像人的肩、肘关节，能让反射面天线辐射器灵活转动，始终对准地面。为了满足任务要求，反射面天线的设计轻量化到极致，相比同类天线减重了 40% 以上。


模拟动画截图。来源：中国航天科技集团五院
来源：科技日报
编辑：宋慈（实习）
审核：朱丽
终审：冷文生