北京時(shí)間12月6日5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)接，并于6時(shí)12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接。

從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開(kāi)始，通過(guò)遠(yuǎn)程導(dǎo)引和近程自主控制，軌道器和返回器組合體逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕獲上升器，完成交會(huì)對(duì)接。

后續(xù)，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體將與上升器分離，擇機(jī)返回地球。

軌道器與上升器完成交會(huì)對(duì)接

軌道器逐漸接近上升器

上升器與軌返組合體對(duì)接過(guò)程模擬圖

“嫦娥五號(hào)”圓滿實(shí)現(xiàn)月球軌道下的首次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，順利攜帶月壤標(biāo)本返回探測(cè)器。助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)首次月球軌道交會(huì)對(duì)接，讓探測(cè)器跨越38萬(wàn)公里完美實(shí)現(xiàn)“太空牽手”的是中國(guó)航天科工研制的交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，在我國(guó)首次月壤采樣返回任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。一路以穩(wěn)定可靠的表現(xiàn)為嫦娥五號(hào)提供高精度加速度信息，為這次交會(huì)對(duì)接穩(wěn)住速度的是中國(guó)航天科工研制的高精度加速度計(jì)組合、石英撓性加速度計(jì)及I/F轉(zhuǎn)換電路組成的“慣測(cè)小分隊(duì)”。

交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品出廠前進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)

嫦娥五號(hào)月球采樣返回，是我國(guó)航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最高的任務(wù)。由中國(guó)航天科工研制的嫦娥五號(hào)交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，作為探測(cè)器在月球軌道中遠(yuǎn)距離測(cè)量的唯一手段，成功引導(dǎo)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)首次月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接。該對(duì)接技術(shù)是嫦娥五號(hào)任務(wù)中“四大關(guān)鍵技術(shù)”之一。

看得清  更精準(zhǔn)

月球軌道微波雷達(dá)是一組成對(duì)產(chǎn)品，由雷達(dá)主機(jī)和應(yīng)答機(jī)組成，分別安裝在嫦娥五號(hào)探測(cè)器的軌道器和上升器上。當(dāng)軌道器、上升器相距約100km時(shí)，微波雷達(dá)開(kāi)始工作，不斷為導(dǎo)航控制分系統(tǒng)提供兩航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行雙向空空通信，兩航天器根據(jù)雷達(dá)提供信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)，直至軌道器上的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖定上升器。隨后，上升器中的月壤樣品和容器轉(zhuǎn)移。

二院25所交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹，此前的載人航天工程任務(wù)中，我國(guó)航天器在近地軌道進(jìn)行過(guò)多次交會(huì)對(duì)接，都應(yīng)用了航天科工的微波雷達(dá)，五戰(zhàn)五捷的表現(xiàn)足以證明，我國(guó)已經(jīng)成功掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)。但不同的是，這次是在距離38萬(wàn)公里之外的月球軌道，難度更大。

“與近地軌道相比，月球軌道沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航等服務(wù)資源，微波通信是中遠(yuǎn)距離的唯一手段。月軌環(huán)境更復(fù)雜，要克服月球引力影響，所以自動(dòng)交會(huì)對(duì)接對(duì)微波雷達(dá)提出的要求極為苛刻。為此，微波雷達(dá)團(tuán)隊(duì)攻克了相位干涉儀測(cè)角、大寬角度測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。”孫武重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了微波雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)對(duì)月球軌道環(huán)境的新變化。

其中對(duì)于大寬角度的精確測(cè)量，孫武帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著實(shí)下了一番大功夫。

因嫦娥五號(hào)的軌道器和上升器交會(huì)對(duì)接，是體量相差巨大的“大追小”復(fù)雜受力過(guò)程，采用了抱爪式的弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)。這樣一來(lái)，需要微波雷達(dá)的測(cè)角精度更高。

“我們采用了創(chuàng)新的誤差補(bǔ)償算法，進(jìn)一步提高了微波雷達(dá)的測(cè)角精度，大幅提升了精準(zhǔn)對(duì)接的勝算。” 微波雷達(dá)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師賀中琴介紹說(shuō)。

此外，裝有對(duì)接用應(yīng)答機(jī)的上升器在落月時(shí)難免形成揚(yáng)塵，這些肉眼不可見(jiàn)的月塵干擾將會(huì)嚴(yán)重降低測(cè)角精度。

為確保安全度過(guò)月球之旅，應(yīng)答機(jī)上安裝了特殊材料的防塵罩，“就像給‘千里眼’戴上了‘護(hù)目鏡’，‘嫦娥’的這雙‘千里眼’，就不會(huì)變成‘近視眼’，甚至‘全盲’了。”青年設(shè)計(jì)師紀(jì)博已經(jīng)是第二次參與交會(huì)對(duì)接任務(wù)，說(shuō)起自己的產(chǎn)品，她自豪與興奮地打起了比方。

會(huì)說(shuō)話  更可靠

孫武說(shuō)，“我們?yōu)檫@次交會(huì)對(duì)接打造的，不僅是‘千里眼’，還是‘順風(fēng)耳’，升級(jí)后的它更小巧、更強(qiáng)大、更可靠。”

微波雷達(dá)在保證交會(huì)對(duì)接測(cè)量“本職工作”的同時(shí)，升級(jí)了航天器之間雙向空空通信的“第二職業(yè)”，從雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)之間“一問(wèn)一答”的傳輸方式，升級(jí)至軌道器與上升器之間的“溝通對(duì)話”，實(shí)現(xiàn)了遙控指令和遙測(cè)參數(shù)的雙向傳輸。

“以前就像老師上課點(diǎn)名，雷達(dá)發(fā)消息，應(yīng)答機(jī)答‘到’。而現(xiàn)在它們不僅自己要通話，還要負(fù)責(zé)上升器和軌道器之間的信息傳遞。”賀中琴說(shuō)。

同時(shí)，在此前“天舟”、“天宮”交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)減重一半的基礎(chǔ)上，這次再進(jìn)一步開(kāi)展了輕量化的改進(jìn)。

“交會(huì)對(duì)接雷達(dá)減去的重量比月壤采樣重量還高，哪怕一克的重量減輕，對(duì)月壤采樣任務(wù)的意義，都是巨大的。”孫武感慨。

此次微波雷達(dá)在首次地外天體軌道對(duì)接過(guò)程中的完美表現(xiàn)，與之前載人航天工程的那五次任務(wù)一樣，毫無(wú)懸念、毫無(wú)差錯(cuò)。這也是孫武團(tuán)隊(duì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量“零缺陷”的堅(jiān)持，對(duì)“一次成功”的詮釋。

每一步的成長(zhǎng)記錄、每一幀的拍照留存，實(shí)現(xiàn)了百分百的過(guò)程可追溯；反復(fù)的測(cè)試迭代和全覆蓋的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保產(chǎn)品功能、性能的方方面面萬(wàn)無(wú)一失。“這沒(méi)有捷徑，‘固化兩頭，嚴(yán)控過(guò)程’是最有效的辦法。” 孫武說(shuō)，“任務(wù)不完成，‘雙想’不停止。只要一天還沒(méi)發(fā)射，我們就要不斷‘預(yù)想’、仔細(xì)‘回想’。”

“經(jīng)過(guò)七項(xiàng)單機(jī)試驗(yàn)、三項(xiàng)分系統(tǒng)試驗(yàn)和五項(xiàng)系統(tǒng)試驗(yàn)的充分驗(yàn)證，我們和它都做好了充分的準(zhǔn)備。”臨近執(zhí)行任務(wù)的那段日子，賀中琴很是興奮，她透露，“針對(duì)月球軌道的特殊應(yīng)用，與前幾次相比增加了抗月塵試驗(yàn)、抗干擾試驗(yàn)和交會(huì)對(duì)接無(wú)線兼容試驗(yàn)驗(yàn)證，它的表現(xiàn)很好。” 對(duì)賀中琴來(lái)說(shuō)，微波雷達(dá)就像自己的孩子，出征前，她充滿了信心，也充滿了期待。

“絕不把任何一點(diǎn)疑惑、缺陷帶上太空”，這才是零缺陷的可靠產(chǎn)品。

中國(guó)航天科工交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)在月球軌道的完美表現(xiàn)，見(jiàn)證了我國(guó)首次在地外天體實(shí)現(xiàn)無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)。正如孫武所說(shuō)，“我們已整裝待發(fā)，向月球進(jìn)發(fā)！向更遙遠(yuǎn)的深空進(jìn)發(fā)！向更廣闊的領(lǐng)域進(jìn)發(fā)！”

加速度計(jì)組合研制人員正在進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)

嫦娥五號(hào)圓滿實(shí)現(xiàn)月球軌道下的首次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，順利攜帶月壤標(biāo)本返回探測(cè)器。由中國(guó)航天科工研制的高精度加速度計(jì)組合、石英撓性加速度計(jì)及I/F轉(zhuǎn)換電路組成的“慣測(cè)小分隊(duì)”，一路以穩(wěn)定可靠的表現(xiàn)為“嫦娥五號(hào)”提供高精度加速度信息，為交會(huì)對(duì)接穩(wěn)住速度。

中國(guó)航天科工有關(guān)專家表示：“要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，需要以非常精確的控制來(lái)確保軌道返回組合體與上升器之間的相對(duì)速度盡可能小，而加速度反映的恰恰是速度變化的情況。交會(huì)對(duì)接時(shí)的加速度，只有探測(cè)器升空過(guò)程中最大加速度的千萬(wàn)分之一量級(jí)，高精度加速度計(jì)組合能夠?qū)崿F(xiàn)微小加速度的精準(zhǔn)測(cè)量。”

換言之，有了這支“慣測(cè)小分隊(duì)”的助力，這次38萬(wàn)公里外的 “太空牽手”才不會(huì)“擦肩而過(guò)”。

組合“隊(duì)長(zhǎng)” 帶著“坐墊”去遠(yuǎn)行

此次交會(huì)對(duì)接階段，主要實(shí)施加速度測(cè)量的高精度加速度計(jì)組合是這支“慣測(cè)小分隊(duì)”中的“隊(duì)長(zhǎng)”，這已經(jīng)是它第三次陪伴“嫦娥”遠(yuǎn)赴月宮。為了能夠給“嫦娥”提供高精度、高可靠的測(cè)量表現(xiàn)，組合采用了獨(dú)特的冗余設(shè)計(jì)方案，任務(wù)可靠度可達(dá)0.999983，曾以完美的表現(xiàn)助力“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”任務(wù)圓滿成功。

“此次任務(wù)，組合主要承擔(dān)探測(cè)器在地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、月球軌道交會(huì)對(duì)接和月地轉(zhuǎn)移階段的平動(dòng)加速度測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器沿軌道飛行和交會(huì)對(duì)接過(guò)程中平穩(wěn)、準(zhǔn)確的機(jī)動(dòng)控制。” 三院33所高精度加速度計(jì)組合主任設(shè)計(jì)師于華男介紹說(shuō)。

為了這一次“遠(yuǎn)行”，研制團(tuán)隊(duì)特地為組合產(chǎn)品增加了新部件——內(nèi)部減振器。由于此次飛行對(duì)組合的抗沖擊特性提出了更高的要求，增加內(nèi)部減振器就像是給組合增加了一組吸振隔振的“坐墊”，有了這些“坐墊”的加持，即使外界環(huán)境存在較大的沖擊和振動(dòng)，加速度計(jì)組合仍能在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下正常工作。

然而，減振器的設(shè)計(jì)和安裝可不像加“坐墊”那樣簡(jiǎn)單。三院33所設(shè)計(jì)師付繼波介紹說(shuō)：“減振器安裝在組合的多個(gè)位置，就像是墊在了柜子的四角，受到?jīng)_擊時(shí)各減振器的變形量存在微小差別，‘墊子’不等高了，加速度計(jì)組合就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即使是非常微小的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)很大的影響。”為盡可能消除轉(zhuǎn)動(dòng)變形，團(tuán)隊(duì)用兩個(gè)多月的時(shí)間進(jìn)行了大量的沖擊試驗(yàn)，徹底摸清減振器在不同位置、不同沖擊條件和不同安裝方式下的形變量，最終將形變量控制在了角秒級(jí)，確保組合測(cè)量精度不受影響。

“金牌搭檔”保障全程加速度

“小分隊(duì)”中的石英撓性加速度計(jì)和I/F轉(zhuǎn)換電路是一組“金牌搭檔”，在此次任務(wù)中，這對(duì)“金牌搭檔”“承包”了“嫦娥五號(hào)”月宮之旅全程各關(guān)鍵階段的加速度測(cè)量任務(wù)——不僅在高精度加速度計(jì)組合產(chǎn)品中應(yīng)用，還在著陸上升組合體和返回器的IMU（慣性測(cè)量單元）中扮演關(guān)鍵角色。

石英撓性加速度計(jì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

作為加速度測(cè)量的核心器件，這對(duì)搭檔可謂是功勛神器，曾先后助力神舟系列飛船的11次飛行任務(wù)和“天舟”、“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”任務(wù)，連戰(zhàn)連捷；I/F轉(zhuǎn)換電路還以其高可靠性、高精度的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，在長(zhǎng)征四號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)系列火箭和新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙中成功應(yīng)用。

石英撓性加速度計(jì)是敏感加速度的關(guān)鍵傳感器，I/F轉(zhuǎn)換電路則能夠?qū)⒓铀俣扔?jì)輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。由于在探測(cè)器的不同部分承擔(dān)的任務(wù)各不相同，研制團(tuán)隊(duì)分別為加速度計(jì)配備了不同量程的I/F轉(zhuǎn)換電路。“信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程就像是用天平和砝碼給信號(hào)‘稱重’，加速度變化量大電流信號(hào)變化量也大，則需要使用大的‘砝碼’，”I/F轉(zhuǎn)換電路主任設(shè)計(jì)師趙洪利這樣比喻。

在交會(huì)對(duì)接和軌道控制過(guò)程中，軌道器加速度的變化量不大，團(tuán)隊(duì)采用小量程的轉(zhuǎn)換電路，能夠在同等條件下提供更高精度的加速度測(cè)量信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器更加精準(zhǔn)的速度控制；而在月面著陸和返回再入階段，加速度變化量大，則采用“砝碼較大”的大量程轉(zhuǎn)換電路，滿足對(duì)加速度信息的完整覆蓋，確保“嫦娥”飛行全程的速度變化盡在掌握。

太空之吻“五戰(zhàn)五捷”

2011年11月3日  神舟八號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接

二院25所研制的微波雷達(dá)完美助力“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”首次自動(dòng)空間交會(huì)對(duì)接，圓滿實(shí)現(xiàn)了“首先捕獲、穩(wěn)定跟蹤、精確測(cè)量”的目標(biāo)。

2012年6月18日  神舟九號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接

在我國(guó)首次載人交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)任務(wù)中，微波雷達(dá)以優(yōu)于前一次任務(wù)的成績(jī)，再讓“太空之吻”畫(huà)面完美定格。神舟九號(hào)載人飛船搭載航天員，與天宮一號(hào)完成了中國(guó)首次手動(dòng)交會(huì)對(duì)接。

2013年6月13日  神舟十號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接

交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)助力航天員再次完成手動(dòng)交會(huì)對(duì)接，交會(huì)對(duì)接功能得到進(jìn)一步驗(yàn)證和考驗(yàn)。

2016年10月19日 神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接
交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)精準(zhǔn)導(dǎo)引神舟十一號(hào)飛船向天宮二號(hào)靠近，最終實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。參與此次任務(wù)的交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)系統(tǒng)包括搭載在神舟十一號(hào)飛船上的微波雷達(dá)和天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上的微波應(yīng)答機(jī)。

2017年4月22日  天舟一號(hào)與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接

微波雷達(dá)第五次精準(zhǔn)導(dǎo)引“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船和“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室首次對(duì)接成功，這是微波雷達(dá)升級(jí)換代后的第二代產(chǎn)品再次護(hù)航。