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嫦娥五号告诉你如何在38万公里外“深情拥抱”

来源:咸宁网 时间:2020-12-08 16:23

2月6日清晨,嫦娥五号上升器与轨道返回组合体在月球轨道上,实现了我国首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移。

对接机构设计理念世界首创

看点1:对接全步骤要在21秒内完成,1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为此研制团队做了35项故障预案,从启动开始到交会对接,全部采用自动控制。

嫦娥五号采用的对接方式,与我国载人航天任务交会对接有很大区别。

载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构,在对接后可形成一个80厘米左右的通道,方便航天员穿行。而月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制。嫦娥五号对接机构必须小而精,重量要减小到周边式对接机构的1/15,同时还要具备样品容器捕获、自动转移功能。

据中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍,研制团队在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化。这些设计理念是世界首创。

捕获、收拢、转移,过程看似简单,要在38万公里之外高速运行的飞行器上实现,却并不那么容易。

“月球轨道相对于地球轨道有时延,时间走廊较小,这就对时效性要求非常高,必须一气呵成完成对接与转移任务。”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲说。

他们还构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统,先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试。刘仲说,科研人员甚至故意在试验中加入小故障,让对接机构自动判别,进行故障排除,以确保自动对接与样品转移过程万无一失。

雷达从百公里外牵线搭桥

看点2:微波雷达测角精度的提高,使对接双方在距离20米时,上升器对接机构抱爪的锁定圆面,从之前的半径5厘米缩小到半径3厘米。这2厘米之差,大幅提升了精准对接的胜算。

实现完美对接之前,先要让轨道器和上升器靠近对方。中国航天科工集团二院25所(以下简称25所)研制的嫦娥五号交会对接微波雷达,作为中远距离测量的唯一手段,为此次交会对接牵线搭桥。

据交会对接微波雷达总工程师孙武介绍,在我国载人航天工程任务中,航天器在近地轨道进行过多次交会对接,都应用了25所微波雷达。不同的是,这次交会对接是在38万公里之外的月球轨道,难度更大。与近地轨道相比,月球轨道没有卫星导航等服务资源,微波通信是中远距离测量的唯一手段。同时月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,因此自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。

为此,25所攻克了大宽角度测量等关键技术。

此次交会对接是体量相差巨大的“大追小”复杂受力过程,采用了抱爪式的弱撞击对接机构,这要求微波雷达的测角精度更高。“我们采用了创新的误差补偿算法,将微波雷达的测角精度从0.15°提高到了0.1°。” 微波雷达项目主任设计师贺中琴介绍说。

另外,上升器在落月时难免形成扬尘,有可能对对接用应答机造成干扰,降低测角精度。为此,设计师在应答机上安装了用特殊材料制作的防尘罩,如同给千里眼戴上了护目镜,规避了这一隐患。

完美记录“拥抱”全过程

看点3:嫦娥五号搭载的双谱段监视相机集红外和可见光成像于一体,可根据遥控指令要求在6种拍摄模式中自由切换。

这次发生在38万公里外的交会对接过程,被中国航天科技集团八院控制所研制的红外及可见光双谱段监视相机记录了下来,完美呈现给千千万万关注着“嫦娥”的人们。

控制所光学导航专家郑循江介绍,该相机相当于给普通相机加上了夜视仪,即使交会对接过程发生在月背,接受不到太阳光照,也可以通过红外相机记录下来。在有光照的情况下,如果光照太强,可见光相机拍摄的照片可能出现过曝的情况。而这款双谱段相机可以确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程。

为了给观众呈现高清画质,该相机可见光谱段分辨率达到2048×2048;红外谱段选用非制冷长红外波段,分辨率为640×480。但要在此基础上实现红外和可见光同时成像,数据量巨大,研制初期产品始终无法达到任务要求的帧频。项目团队通过优化DSP软件架构和算法,提升了软件运行效率。 ? (咸宁日报综合)



编辑:但堂丹

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