2020年11月24日4时30分，我国在文昌发射场用长征五号运载火箭，成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道，开启探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战，将实现我国首次月球无人采样返回。
嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个部分组成。据国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇：嫦娥五号任务有望创造的“中国首次”包括：一是地外天体的采样与封装，二是地外天体的起飞，三是月球轨道交会对接，四是携带约2公斤样品高速地球再入，五是样品的存储、分析和研究。
作为中国航天的中坚力量，中国航天科技集团有限公司八院承担了长征五号助推器和嫦娥五号轨道器的研制任务。轨道器作为贯穿任务全过程的核心产品，是名副其实的“太空邮差”——它将在相距38万公里的地球和月球之间，构建起一条太空“物流”的特殊通道，既承担地月往返运输的任务，将乘客安全地送往目的地，同时又要在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱”，将珍贵的月壤投送回蓝色星球。
“太空邮差”将驰骋38万公里
据介绍，长征五号4个助推器提供了长征五号起飞90%的推力。嫦娥五号轨道器作为主动飞行器将承担地月往返运输、月球轨道交会对接、样品容器转移等任务，将实现人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移、我国首次深空环境多次分离、首次月地转移入射等，它将在相距38万公里的地球和月球之间，构建起一条太空“物流”的特殊通道。
“在整个任务过程中，轨道器在轨共有5次分离，6种组合体状态，承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，是目前最复杂的空间飞行器之一。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍，既要保证组合状态下器与器连得稳固，同时又要确保分离过程的安全可靠，这是探测器研制的难点之一。
轨道器创新采用多点高强度分离螺母进行连接，通过在各分离面配置不同数量的分离螺母，来满足舱段间连接强度与刚度要求。同时双作动分离螺母包含两套解锁机构，其中任意一套动作就能确保分离面每个分离点的可靠分离。这一高可靠连接分离技术，成就了嫦娥五号的从容飞天之旅。
受探测器整体重量约束的影响，轨道器在具备强大的承载能力的同时，还得做到身轻如燕。七项创新技术使之结构质量比达到9.6%，实现效能最优。46千克的承力球冠能承载3吨贮箱，具备30吨的极限承载能力，真正做到“鸡蛋壳上挂秤砣”。另外，基于轨道器的分舱段设计，研制团队提出了分区域管理的分布式综合电子单机设计思想，借助区域划分和整体布局，满足各舱段的配电管理、热控管理、信息管理等各项需求。
38万公里外“月宫之吻”
嫦娥五号进入环月轨道后，轨道器与“着陆上升组合体”分离，携带返回器留轨。“嫦娥五号将在38万公里外实施世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移，构建起一条太空‘物流’的特殊通道。这对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键，对接精度要求达到毫米级。”中国航天科技集团八院相关负责人告诉记者。
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。为此我们做了35项故障预案，从启动开始到交会对接，全部采用自动控制。”
为了解决这一难题，中国航天科技集团八院研制团队创造性地研制出了抱爪式对接机构，配合采用棘爪式转移机构，在自动无人交会对接的同时实现样品容器的自动转移，这一技术是世界首创，成就了嫦娥飞天采样返回中极为重要的一环。
“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，我们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，这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。
“所谓的抱爪，其实形象地说，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。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。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，就可以实现两器的紧密连接。
来源：周到上海 作者：李晓丹
