“嫦娥四号的月球车进入视野”,6月8日,美国航天局发布“月球勘测轨道飞行器”对中国嫦娥四号着陆点的第二次成像图片,并拍到了月球车——玉兔二号巡视器。 太空探索永无止境。2019年1月11日,探月工程嫦娥四号任务取得圆满成功,首次实现了人类在月球背面软着陆和巡视勘察。在此次任务中,中国航天科技集团五院总体部承担了嫦娥四号探测器抓总研制以及着陆器总体、热控、结构与机构、着陆缓冲,巡视器总体、热控、遥操作分系统等研制工作。在研制过程中,总体部团队成员攻克了哪些技术难题?如何大力协同,“零异常”完成任务?又有着怎样令人难忘的经历?下面来逐一揭晓——

征服月背
——嫦娥四号探测器总体部研制团队揭秘

  敦煌无人区里的试验

  在月背软着陆有多难?

  嫦娥四号探测器项目执行总监张熇告诉记者,探测器要想在月球背面软着陆远远比在月球正面难得多,虽然月球正面也是山峰林立,但地势相对平坦,可供探测器着陆,此前人类发射的许多探测器和宇航员登月都选择了这些地方。月球背面却布满了沟壑、峡谷、火山口和悬崖,很难找到一块软着陆的理想地点。

  要想顺利实现既定目标,该怎么办?面对嫦娥四号登陆月背的第一道难关,来自总体部空间科学与探测总体室的探测器总体设计团队在张熇总监带领下,查阅了大量国内外文献和资料,特别是对嫦娥二号拍摄的月球资料和美国公开发表的图像资料进行学习研究,同时向多位航天专家和相关科学家咨询请教,综合分析月球背面的土壤特性、环境特性及不确定性、元素分布等情况,进行了多轮筛选和迭代。

  最终,在月球背面崎岖复杂的地形中,着陆器总体主任设计师李飞选择出整体平坦程度与嫦娥三号虹湾地区相近的主、备两个着陆区,在任务设计的源头最大程度地提高了着陆的可靠性和安全性,解决了着陆区选择的巨大难题。

  对巡视探测器来说,研制试验主要分为内场试验和外场试验。“室内试验场就在航天城里做,主要模拟月面环境,例如用火山灰模拟月壤。”巡视器遥操作分系统主任设计师彭松告诉记者,由于火山灰颗粒非常细小,会渗透进皮肤,同时又要模拟太阳发光发热,所以室内温度很高,大家常常穿着短袖短裤进去,皮肤有时会出现过敏。


嫦娥四号内场试验


嫦娥四号外场试验营地

  外场试验则选择在敦煌无人区的沙漠里,“大家都住在帐篷和活动板房里。吃饭时饭里有好多沙子,晚上睡觉时经常能听见狼的叫声。”彭松说,在这样的环境中,他们做了整整一个月的试验。


彭松在外场帐篷中进行试验测试

  “稳稳一落”背后的系统工程

  为了实现探测任务,着陆器必须具备多种技能:具有能够灵活转动的太阳能翅膀、能够保证安全降落月球的缓冲腿、可以把背上的月球车平稳放到月面的悬梯、具有眼观八方功能的相机旋转臂,以及魔术棒一样的探测天线等。着陆器上面这些功能各异的机构,就是由总体部嫦娥四号结构与机构团队负责研制的。

  在这些机构中,转移机构是嫦娥四号探测器的关键单机,肩负着将巡视器由着陆器释放至月面的重任。然而,转移机构组成复杂,包含了悬梯、缓释、展开等八个功能模块,每个模块都是一个小机构,说它们组成了一个系统都不为过;同时,转移机构还面临着恶劣的空间环境,除了承受各种力、热载荷,需要经历月尘环境的考验。

  如何使如此复杂的机构在恶劣环境中可靠工作?

  设计师李新立经过逐步推进,从设计阶段的多方案论证、仿真分析、故障分析;到加工装配阶段深入一线,加强质量管控;再到发射场测试过程中的精心组织,率先通过机构专项测试……最终,确保了转移机构顺利将巡视器转移到月面。


嫦娥四号玉兔二号巡视器驶离着陆器

  嫦娥四号稳定可靠地着陆月球背面,全靠着陆器上面的四条缓冲、支撑一体化的着陆缓冲机构。总体部着陆器着陆缓冲研制团队从接到研制任务就开始自主创新,突破了多项关键技术。着陆缓冲机构具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案,既保证了收拢简单、展开可靠,又省去了与着陆器主结构之间的压紧点,从而简化了系统组成和总装工作,为保证着陆缓冲机构的总装质量及其在月面的可靠缓冲奠定了基础。

  “决战”前发现雷达天线参数的“微小变化”

  2018年10月31日是嫦娥四号着陆器定向天线最终在着陆器上用火工品压紧的日子。此前一天,晚饭刚过,夜色降临,西昌卫星发射中心协作楼外寒风瑟瑟。总体部着陆器定向天线研制团队的10余人围坐在协作楼一层大堂的小圆桌旁,开始了天线最终压紧及状态确认的“战前”推演。在这之前,研制团队已经不止一次开展最终压紧的工艺推演、流程梳理、问题预判等工作。此次会商,是对第二天工作的再梳理、再熟悉、再确认。

  最终压紧的日子到了。一大早,研制团队来到技术区,按序进行加热片和热敏电阻检查、双轴转动前状态确认……一直到最后压紧点胶和最终状态确认,团队成员保质保量、按时顺利完成了工作,确保了探测器发射场工作有序推进。


嫦娥四号飞控大厅里的团队成员

  “我们在一次测试过程中发现雷达天线的一个参数有微小的变化,推断可能存在一些问题。”对嫦娥四号巡视器总体主任设计师申振荣来说,在巡视器出厂前也遇到过难题。

  这时距离出厂已经很近了,但是整个产品重新投产涉及到的环节比较多,按照正常流程至少要花费三、四个月的时间。“我们的单机生产单位连轴转,计划调度基本上按小时来安排。最终在不到一个月的时间里完成了该产品的重新投产,在进发射场之前顺利研制出来。”申振荣说,这个天线的在轨表现也很好,得到了月球背面月壤的分层结构。

  “我希望自己的工作永远没有用到的一天”

  从航天城AIT大厅到着陆验证场,从月球楼的内场到远在千里之遥的发射场,处处活跃着嫦娥四号综合测试团队的忙碌身影。

  为了充分验证探测器的各项功能与性能,着陆器与巡视器不仅需要各自完成航天器常规的测试项目,还要增加多项专项试验,技术难度大、测试周期长。为此,测试团队制订各项技术路线,与总体、各分系统协同克服了各阶段发生的所有异常。

  发射任务期间,齐天乐和马千里两位新人恰好赶上婚礼,他们一边筹备婚礼,一边准备进场工作,打点个人行李。婚礼结束后,二人一天也没耽搁,次日上午就在发射场投入了工作状态。马千里更是克服了测试流程复杂,人手紧张等困难,独立完成了巡视器全部测试细则的编写,并通过清晰的指令发送和准确的数据判读,完成各项测试工作。

  据嫦娥四号巡视器总体副主任设计师温博介绍,巡视器在轨制定的故障预案有116项,大大小小的专项预案加起来有几百项。“比如在移动系统方面,有车轮沉陷、电压的异常升高或降低、电流发生异常、整期的温度突然升高或降低等,如何应对这些问题,都是我要预先想到的。”

  “幸运的是嫦娥四号目前为止在轨工作一切都很顺利,没有用到过任何一项故障预案。”温博说,“我希望自己的工作永远没有用到的一天。”(极速分分彩计划 杨文佳)

视频
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专访

专访中国航天科技集团有限公司五院总体部空间科学与探测总体室主任 杜颖

  1.请您介绍一下,在团队的揽月征程中,突破了哪些技术难题,取得了怎样的成就?

  正如习近平总书记所说,伟大事业都始于梦想。梦想是激发活力的源泉。我们团队的梦想,就是圆中华民族自强不息的揽月梦。

  团队承担的首个任务,就是研制嫦娥一号卫星,迈开我国探月工程的第一步。我们不畏艰难困苦,勇于挑战无极限,终于在2007年11月26日,用首幅月面图像公布,交出了完美的答卷。嫦娥一号突破了月球环绕探测技术,实现了我国首次环月探测,铸造了我国航天史上继人造地球卫星、载人航天飞行之后的第三个里程碑。

  紧接着,我们投入到嫦娥二号卫星研制中,全力托举了我国首颗飞入行星际的探测器奔向深空,完成日-地拉格朗日L2点绕飞探测和图塔蒂斯小行星飞越探测。与此同时,立项于2008年的嫦娥三号任务也紧锣密鼓地并行。面对我国航天领域最复杂、难度最大的任务挑战,团队艰苦奋斗了近6年,终于在2013年12月14日首次实现了我国地外天体软着陆和巡视探测,使我国成为继美国、苏联/俄罗斯之后第三个成功实现地外天体软着陆和巡视勘察的国家。

  与嫦娥三号任务交叉并行的是立项于2011年的探月三期工程,2014年11月1日,经过近9天的飞行,嫦娥五号飞行试验器圆满实现了地外天体高速再入返回,使我国掌握了高速半弹道跳跃式返回再入技术,为后续载人登月、行星际着陆探测及再入返回任务奠定了基础。

  嫦娥四号任务于2016年立项,作为我国探月工程四期的首次任务,嫦娥四号在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察,首次实现了月球背面同地球的中继通信,并与多个国家和国际组织开展了具有重大意义的国际合作,成为我国由航天大国向航天强国迈进的重要标志之一。

  目前,团队成员正全力奋战在嫦娥五号探测器的研制工作中。一路行来,团队里的每一个人都心怀梦想、奋勇拼搏,一步一个脚印,一棒接着一棒,在接续奋斗中成就梦想。

  2.在探测深空的征途中,团队有哪些创新之举?

  创新决定未来。在广袤的深空“逐鹿场”,唯有创新才能抢占先机。在探测深空的征途上,我们曾遇到无数的路口,几乎每一次,我们都选择了布满荆棘的创新之路。

  在嫦娥一号卫星研制中,面对全新的深空探测领域,团队采用多学科、全系统优化设计方法,高起点地确定了我国首个月球探测器的总体方案,突破并掌握了一大批具有自主知识产权的核心技术,使我国成为世界上为数不多的具有深空探测能力的国家。

  在嫦娥二号卫星研制中,我们没有满足于原封不动地继承,而是强化系统创新,自主开创了任务的新目标、新模式,突破了直接地月转移、行星际轨道设计与控制等关键技术,取得了“低成本、高质量、高回报”的突出实效。

  面对嫦娥三号探测器带来了诸多世界级难题和挑战,团队勇挑重担,逐个攻克,在深空探测器系统设计方面取得了长足进步:我们创新提出了基于光照的自主唤醒总体方案,首次采用立体视觉技术解决了月面环境感知、路径规划等难题,开创性地制定了地外天体软着陆和巡视探测任务的地面验证试验方案、体系,在国际上首次实现了着陆与巡视的组合探测。嫦娥三号探测器的成就,被习近平总书记誉为:“在人类攀登科技高峰征程中刷新了中国高度”。

  嫦娥五号飞行试验器更是无法在地面验证的高难度任务,团队创造性地提出了服务舱和返回器双平台并行运行的飞行器系统设计方案,完成了轻小型化半弹道跳跃式深空高速再入返回器研制,一举解决了众多技术难点,为嫦娥五号探测器的研制铺平了道路。

  嫦娥四号探测器是团队“探人类所未至”的又一张响亮名片。团队没有满足于嫦娥三号的成就,而是勇于“做一点不一样的事”,将任务模式升级为探索月背。为此,我们要面对新增的中继链路、复杂的试验工况和众多影响成败的关键点。通过强化两器一星接口验证设计,加强精细化控制,我们实现了多项创新,填补系列国际国内空白,充分体现了自主创新要敢下先手棋、善打主动仗的精神。

  3.您认为团队具有怎样的航天精神?又如何在实干中成就伟大事业?

  为了打造至善至美的“嫦娥”,团队大力倡导“追求极致”的工作理念,形成了“严慎细实”的工作作风。作为型号抓总单位,我们狠抓关键技术和薄弱环节,形成了一种敢于并善于“找茬”的精神,宁可“捕风捉影、小题大做、锱铢必较,甚至是亡羊补牢”,也不能让卫星带着隐患上天。因此,世界各国在深空探测领域的成功率尚不足50%,而我们做到了颗颗成功。

  在探月工程这片沃土的哺育下,团队拼搏十余载春秋,铸就了“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”探月精神。忘不了,大漠戈壁的试验,伴着狼嚎入眠,就着沙暴进餐;忘不了,航天城月壤环境试验,戴着防毒面具判读数据,人造月壤纤细的粉末透过皮肤侵蚀入肺;忘不了,试验关键时期,术后迅速上岗者有之、有病扛着不看者有之,有的同志在接收肝部肿瘤切除手术前的几分钟还通过短信回复技术疑问,叮嘱试验注意事项……

  展望未来,初心未改。嫦娥五号探测器、火星探测器等更加艰巨的任务在召唤着我们。团队将继续向着星辰大海进发,为推动我国深空探测事业发展和航天强国建设做出更大的贡献。