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万里高空,嫦娥五号的“太空邮差”如何与地面“不断线”?
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-11-24 11:52
摘要:要做一名合格的太空邮差,需要眼观六路、耳听八方,还要能在万里高空随时向地面报告嫦娥五号状态。

随着今天凌晨嫦娥五号探测器在中国海南文昌航天发射场发射成功,标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走即将完成收官之战, 届时将实现我国首次月球无人采样返回任务。

嫦娥五号的轨道器在探月三期任务中扮演着重要角色,负责地球与月球之间的往返,担负起太空邮差的角色。要做一名合格的太空邮差,需要眼观六路、耳听八方,还要能在万里高空随时向地面报告嫦娥五号状态。而这,离不开中国航天科技集团八院电子所研制的轨道器中测控数传(含天线)和工程图像与测量2个分系统以及综合电子分系统中的2台单机。

形象一点说,八院电子所的产品相当于轨道器中的“眼睛”“耳朵”和“嘴巴”。一方面,“监视”轨道器关键任务环节获取任务过程中的图像,“监测”轨道器在器箭分离过程中关键部位力学特性参数;另一方面,“听清”轨道器和地面站之间的“话语”,“听准“各方指令,精确到位,确保探测任务圆满完成。

减重3.6公斤,每克比黄金还贵

月球距离地球约40万公里,相比近地探测通信距离增加了十倍多,要完成携带月壤采集样本返回的功能,且火箭的承载能力有限,航天器的“重量“就成了非常关键的性能指标要求。毫不夸张的说,减少1克的重量所付出的代价远比1克黄金还贵重。

工程图像与测量分系统肩负着探测器太阳翼天线展开、各次分离对接、月球采样样品容器转移等过程的监视任务,要求“可识又可靠”。“要完成这样的任务,理论上至少需要13台摄像机才能满足任务需求。同时,为应对舱外恶劣环境及光照环境,必须采取合理有效的防护措施,如采用大遮光罩等。按传统的设计,镜头、电路板等机电热组合而成的一台摄像机,最轻的也要0.5公斤左右。”工程图像与测量分系统的主任设计师吴红松介绍。

面对极度苛刻的重量要求,分系统从空间、时间双维度进行创新设计。最终确定了每个摄像机最小视场角和最优安装布局,保证单个摄像机至少可兼顾二个手型抱爪机构,且保证其中一个摄像机清晰监视月球样品容器转移全过程。“别小看这一个位置的确认,设备安装在梯形对接舱上,面对布局受限且安装面存在高度差的困难,付出了团队一年的心血。”回忆起那段奋斗的日子,副主任设计师叶盛感慨万千。在时间维度上,开创性地提出“摄像和压缩编码分离”策略,精简硬件电路,在满足分系统任务需求的前提下,最终分系统配套的摄像机数量大幅下降,分系统的总质量从原来的6.5公斤减重到2.9公斤,为整个探测器贡献了比黄金还贵重的3.6公斤重量。

精工细作打造完美产品

对深空测控来说,如果说航天器是风筝,测控数传就是操控风筝的那根风筝线。轨道器测控数传分系统从发射前开机到轨道任务完成一直保持工作,前后共20余天。同时加上太空环境的恶劣和火箭的有限承载能力,使得测控数传产品的指标极其苛刻。

轨道器测控数传分系统设计师苗瑞琴说:“嫦娥五号数传分系统产品功能丰富,不仅具有遥控、遥测、测量等基本的测控功能,还要支持大容量图像数据的下传。”这对传统是一个颠覆。

苗瑞琴通过查阅国内外技术资料,对设计方案反复进行测试验证和性能优化,带领团队经过了十多轮方案迭代,“每一次失败,都如跌入低谷,但看着深夜的星空,又感觉充满了力量。”最终,成功地解决了近地、远地、环月飞行环境多样性难题,完美地完成了上述要求的各项功能。

完美的方案需要完美的产品来实现。作为测控分系统的前端产品——应答机,不仅要满足高灵敏度、高动态接收要求,还面临众多技术难点。应答机主管设计师王文伟攻克了所有技术难点,产品体积、重量、功耗等关键指标遥遥领先于国内同类产品,与常规的低轨卫星测控产品相比,灵敏度提高了100倍。

同时,应答机还将传统的测控通信和数据传输功能整合在一台产品中,相当于节约了一整套数传设备,与同功能的系统相比,减重约10多公斤,节省功耗约55瓦,为整器节约了宝贵资源。

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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