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38万公里之外“月宫之吻”如何完成?揭秘“上海造”对接与样品转移机构
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-11-24 06:11
摘要:人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移无疑是最大亮点之一。

随着长征五号今天凌晨4时30分在海南文昌发射场冲天一飞,嫦娥五号开启探月工程三期任务收官之战,将实现我国首次月球无人采样返回。本次任务世界瞩目、看点多多,但人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移无疑是最大亮点之一。

实现这个过程的核心就是对接与样品转移机构,而这一机构出自上海的中国航天科技集团八院。这一机构究竟有何神奇之处,与之前的对接机构有何不同?上观新闻特别采访了嫦娥五号上海研制团队。

虽同为“交会对接”,但嫦娥五号采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天中神舟飞船与天宫飞行器采用的对接方式,有很大的区别。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公分左右的通道,方便航天员在其中穿行。而与近地轨道的任务不同,月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制,嫦娥五号的对接机构必须做到小而精,其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一,同时,还要具备样品容器捕获、自动转移功能,重量更轻、精度更高、过程更稳。

“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此,嫦娥五号就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,这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说。

所谓抱爪,其实形象地说,就像手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的,当上升器靠近时,只要对准连接面上的3根连杆,将抱爪收紧,就可以实现两器紧密连接。

而轨道器和上升器对接完成后,还要进行一个重要动作,就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇透露,连杆棘爪式转移机构,采用了一个非常巧妙的设计,“我们利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带,相连后就只能单方向传递,只能前进不能后退。”

捕获、收拢、转移,看似简单的过程,但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却远远没有那么简单。

“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解释,“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。”八院805所从2011年就开始开展相关技术的攻关和工程研制,以突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术。“我们甚至在试验中故意加入小故障,让对接机构自动判别,进行故障排除,确保整个过程一气呵成、稳妥可靠。”

不但为探月三期保驾护航,嫦娥五号对接与样品转移机构还填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白,将为后续深空探测等任务提供有力支撑。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:中国航天科技集团
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