三維模擬動畫圖。北京航天飛行控制中心供圖

2020年12月1日，在經(jīng)歷了為期一周的地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行之旅后，“嫦娥五號”探測器的著陸上升組合體成功實施在月面預定區(qū)域的軟著陸。歷經(jīng)主動減速、快速調(diào)整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段，這穩(wěn)穩(wěn)的一落看似輕盈輕松，卻蘊藏著“嫦娥五號”探測器抓總研制單位航天科技集團五院的眾多智慧和積淀。

GNC高精度關鍵技術(shù)

“嫦娥五號”任務的落月和近月制動一樣，都是只有一次機會，必須一次成功。由于涉及采樣后上升器的月面起飛，所以，“嫦娥五號”落月的過程也是為后續(xù)上升器月面起飛選擇“發(fā)射場”的過程。相較于“嫦娥三號”和“嫦娥四號”，“嫦娥五號”對于著陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要一個著陸區(qū)域內(nèi)無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務要求?？梢哉f，落月的過程就是邊飛行邊找尋落點，在15分鐘內(nèi)完成約600公里外的全程自主跳傘。

為了實現(xiàn)“選址正確，落得準確”，“嫦娥五號”采用了五院502所已經(jīng)在“嫦娥三號”和“嫦娥四號”上應用的“粗精接力避障”的方式，即502所研制的制導導航與控制（GNC）系統(tǒng)的指揮下，著陸器和上升器組合體先是大推力反向制動快速減速，然后快速調(diào)整姿態(tài)并對預定落區(qū)地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現(xiàn)“粗避障”，然后組合體在飛到距離月面100米時懸停，并再次對選定區(qū)域進行精確拍照，實現(xiàn)“精避障”，之后再斜向下飄向選定的著陸點，在移動到著陸點正上方之后開始豎直下降，到距離月面較近時關閉發(fā)動機，然后利用著陸腿的緩沖實現(xiàn)軟著陸。

著陸緩沖機構(gòu)顯身手

落月的關鍵在于平穩(wěn)二字。“嫦娥五號”著陸上升組合體在落月時，撞擊月面會形成較大的沖擊載荷，必須設計相應的著陸緩沖系統(tǒng)，吸收著陸的沖擊載荷，保證探測器不翻倒、不陷落，這是落月的技術(shù)難題之一。著陸緩沖機構(gòu)，通俗地說就是“嫦娥五號”的“腿”。

這四條緩沖、支撐一體化的“腿”可不一般，它們來自于機構(gòu)分系統(tǒng)團隊的精心設計、巧手研制，更來源于“嫦娥三號”和“嫦娥四號”的完美基因。著陸緩沖機構(gòu)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等多方面的問題。

與嫦娥三號的著陸緩沖設計方案相比，由于任務難度增加，“嫦娥五號”任務的著陸緩沖能力要求提高了30％，但機構(gòu)重量指標卻減少了5％。這為總體設計部的團隊成員帶來了不小的難題。面臨減重的難關，研制團隊反復迭代，每次修改完設計，討論時一旦發(fā)現(xiàn)新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設計、繼續(xù)修改，最終成功滿足了設計指標，確保了“嫦娥五號”穩(wěn)定可靠地完成與月球的親密擁抱。

經(jīng)濟的“外腦”“外眼”設計

在“嫦娥五號”的落月過程中還有兩個精妙的設計。一是雖然表面上看是著陸器“背著”上升器軟著陸到了月面上，但實際上整個落月的過程著陸器GNC系統(tǒng)的工作和智能自主的指揮過程都是借助了“外腦”和“外眼”，這個“外腦”和“外眼”分別就是上升器月面起飛時要用的“最強大腦”中央控制計算機，和通過“看星星”確定自己姿態(tài)的星敏感器，這是設計人員根據(jù)“上升器全程陪同著陸器”的實際想出的妙招，既節(jié)約了成本又減輕了重量。

二是由于距離月面較近時主發(fā)動機會激起的月塵污染星敏感器，從而影響上升器月面起飛，所以研制團隊專門設計了蓋子，在距離月面一定的高度時把星敏感器的鏡頭蓋起來，團隊稱之為“天黑請閉眼”，待落月之后月塵散去再通知星敏感器把蓋子打開，這一睜一閉之間，著陸器和上升器組合體已經(jīng)順利著陸在月球之上了。

定向天線“一線牽”

落月牽動著國人的心。38萬公里外的“嫦娥五號”正經(jīng)歷著什么樣的考驗？所有的訊息，都需通過著陸上升組合體的一口小小的“鍋”來實時傳送遙測數(shù)據(jù)。這個“小鍋”就是定向天線——把探測器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴陌l(fā)射轉(zhuǎn)換裝置。

從月球把數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，通信的距離相比地面手機通信遠了幾萬倍，這就需要采取特殊的對地定向天線來發(fā)送數(shù)據(jù)。五院總體設計部設計的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅(qū)動機構(gòu)。雙軸驅(qū)動機構(gòu)就像人的肩關節(jié)、肘關節(jié)，驅(qū)動反射天線輻射器靈活地轉(zhuǎn)動，確保“小鍋”始終對準地面。為了使整器減重，此款反射面天線極致輕量化設計，相比同類天線減重40％以上，既輕便又可靠。