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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: 科技日报   日期:2020-12-07 19:02:05  责编:娟子/刘玉辉 
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    12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。
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。
对接机构设计理念世界首创
    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。
    嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍,这套对接机构由3套K形抱爪构成。“所谓抱爪,就像我们手握棍子的动作,两个方向一用力,就可以把棍子牢牢地握在手中。”他说,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,就可以实现两器的紧密连接。
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,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。
    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。
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。
雷达从百公里外牵线搭桥
    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。
    记者从25所了解到,该雷达是一组成对产品,由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号轨道器和上升器上。当两器相距约100公里时,该雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两器之间的相对运动参数,并进行双向通信。两器根据雷达提供的信号调整飞行姿态,直至对接机构捕获、锁定。
    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,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。
    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。
看点3
    利用2套倒三角形构型的棘爪,通过4次伸缩,使得上升器上装有月壤的样品容器逐渐移动到返回器上。转移机构运作过程中,各个位置的精度误差均不超过5微米。
样品转移拒绝“卡壳”
    轨道器和上升器对接完成后,还要将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器上。胡震宇介绍,该步骤所用连杆棘爪式转移机构,采用了非常巧妙的设计。其利用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。为了实现样品顺利转移,中国航天科技集团八院149厂对接与样品转移机构总装团队付出了艰辛劳动。
    据该厂副总经理陆海滨介绍,对接机构中对接环的运动位置精度和对中性,是影响月球样品转移成败的关键因素之一。对接样品转移机构是一种弱刚性结构,体积小、结构复杂,但功能一样不少,这对在装配中的测量数量、精度等要求更高。
    在转移过程中,对接机构与样品转移分系统形成了一个封闭式的微型隧道,受到了产品特性的6个自由度限位限制。研制期间,团队主操作手吴骏和顾京海发现,系统的运作在理论和实践中存在偏差。由于6个自由度的限制,让本来就属于弱刚性的结构很容易因外界压力而产生细微形变,从而无法满足5微米的横向精度要求。
    “限制产品的6个自由度,本是为了确保样品在转移过程中的结构约束。然而在试验中,反而出现了‘卡壳’现象。”吴骏说。他们对传送的运动轨迹和路径进行了仔细分析,提出了将限位减少到左右和旋转2个自由度的方案。于是,他们将原本是圆孔的限位装置改为“方孔+扁平轴”,经过不断修改完善,最终使得转移机构运作过程中能够不走偏并流畅地完成每一个指令和动作,各个位置的精度误差均不超过5微米。
看点4
    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。
完美记录“拥抱”全过程
    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。
    与以往任务中使用的监视相机不同,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,红外和可见光传感器经各自光学镜头获取图像数据,根据遥控指令要求在6种拍摄模式中自由切换,实现红外和可见光分别或同时成像。
    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。
    满足清晰度和帧频要求后,数据传输又成了大问题。如同一条单行道要承载双倍的车流,拥堵在所难免。该产品主管设计师王峰表示,要避免这种情况,就要从图像、视频压缩技术上下功夫。
    项目团队经过多种尝试,最终选择了先插值再压缩的方式,对不同工作模式采取不同的压缩算法,利用帧间相关性,提高图像质量,最后将压缩后的数据下传至地面解压恢复。
    海量数据的处理,让元器件选用也颇费周章。宇航级器件可靠性高,但运行速度相对较低,无法满足任务需求。项目团队经综合考量,选用了工业级高性能8核处理器来提升数据处理速度,同时制定《低等级元器件质保方案》,开展了抗总剂量辐照、热环境、力学环境、静电放电等专项试验,以确保产品的可靠性。(王玓瑭 范文超 陈葆娟 本报记者 付毅飞)





 

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