陳冰

圖片提供/中國航天科技集團八院

“白兔搗藥秋復春，嫦娥孤棲與誰鄰”“嫦娥應悔偷靈藥，碧海青天夜夜心”……自古以來，描寫嫦娥的詩詞便是不勝枚舉。中秋時節(jié)，花好月圓，人們仰望星空，有了神話故事的渲染，遙遠的月亮似乎也變得更加神秘。

如今，神話傳說變成了現(xiàn)實，“嫦娥”真的奔月了，而月亮也正在逐步揭開它的神秘面紗。

11月24日4時30分，體重800多噸的“胖五”——長征五號運載火箭成功將嫦娥五號探測器送入預定軌道，在38萬公里之外，完成中國航天史上“最復雜的任務”，上演了一出月宮取寶、環(huán)月對接、太空投遞的壯舉。

正所謂“長五遙五送嫦五，冬月奔月去探月”。

“太空郵差”是怎么煉成的？

位于上海的中國航天科技集團有限公司八院承擔了長征五號助推器和嫦娥五號軌道器的研制任務。4個助推器提供了長征五號起飛90%的推力。軌道器作為主動飛行器將承擔地月往返運輸、月球軌道交會對接、樣品容器轉移等任務。

作為貫穿任務全過程的核心產品，軌道器是名副其實的“太空郵差”，它將在相距38萬公里的地球和月球之間，構建起一條太空“物流”的特殊通道，既承擔地月往返運輸?shù)娜蝿?，將乘客安全地送往目的地，同時又要在太空中穩(wěn)妥地完成貨品的“接收”“裝箱”，將珍貴的月壤投送回藍色星球。

“在整個任務過程中，軌道器在軌共有5次分離，6種組合體狀態(tài)，承擔地月往返運輸、器間分離、交會對接與樣品轉移等關鍵任務，是目前最復雜的空間飛行器之一?！敝袊教炜萍技瘓F八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹。針對整個任務飛行狀態(tài)多、器間接口多、工作模式多、技術攻關難、地面驗證難以及運載與發(fā)射場新“三多、兩難、一新”特點，研制團隊突破了4項關鍵技術。

嫦娥五號探測器由4個部分組合而成，多器分工合作的狀態(tài)造就了探測器在太空中不斷分離-組合-再分離-再組合的變形過程，這在我國航天器中絕無僅有。而軌道器就擁有5個分離面，既要保證組合狀態(tài)下器與器連得穩(wěn)固，同時又要確保分離過程的安全可靠，這是探測器研制的難點之一。

軌道器摒棄了傳統(tǒng)的艙段間包帶連接方式，創(chuàng)新采用多點高強度分離螺母進行連接，通過在各分離面配置不同數(shù)量的分離螺母以滿足艙段間連接強度與剛度要求。同時雙作動分離螺母包含兩套解鎖機構，其中任意一套動作就能確保分離面每一個分離點的可靠分離。連接穩(wěn)固、分離可靠的連接解鎖與分離關鍵技術，成就了嫦娥五號的從容飛天之旅。

嫦娥五號將在38萬公里外實施世界首次月球軌道自動無人交會對接與樣品轉移。對接機構中的運動位置精度和對中性是影響樣品容器轉移的關鍵，對接精度要求達到毫米級。為了解決這一難題，中國航天科技集團八院研制團隊創(chuàng)造性地研制出了抱爪式對接機構，配合采用棘爪式轉移機構，在自動無人交會對接的同時實現(xiàn)樣品容器的自動轉移，這一技術是世界首創(chuàng)，成就了嫦娥飛天采樣返回中極為重要的一環(huán)。

“抱爪機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優(yōu)點。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現(xiàn)了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創(chuàng)?！敝袊教炜萍技瘓F有限公司八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹說。

“所謂的抱爪，其實形象地說，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號軌道器技術副總負責人胡震宇介紹。探測器采用的對接機構就是由3套K形抱爪構成的，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現(xiàn)兩器的緊密連接。

而軌道器和上升器對接完成后，還要進行一個重要動作，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉移到返回器中。

“連桿棘爪式轉移機構，采用了一個非常巧妙的設計?！焙鹩罱榻B，“我們利用2套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器中。這個構形很像我們經常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進不能后退?！?h3>38萬公里之外“月宮之吻”

捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現(xiàn)卻遠遠沒有那么簡單。

“月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。”對接機構與樣品轉移分系統(tǒng)技術負責人劉仲解釋，“對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此我們做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制?！?/p>

“我們構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統(tǒng)，先后進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試，通過不斷地測試、優(yōu)化，確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失?！眲⒅俳榻B，“我們甚至在試驗中故意加入小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，確保整個過程一氣呵成、穩(wěn)妥可靠?！?/p>

嫦娥五號對接與樣品轉移機構的研制成功，為探月三期任務的實施奠定了堅實技術基礎，同時填補了我國在輕小型對接機構工程化研究領域的空白，將為后續(xù)深空探測等任務提供有力支撐。

嫦娥五號探測器任務要求極其復雜，對產品研制的各方面條件制約嚴重。就在研制初期，擺在團隊面前最直接的困難就是重量和功耗緊張。對于一個航天器而言，重量好比黃金，功耗好比白銀，減重以克計，降功以瓦算，這是一個讓設計師談之色變的永恒難題。

2011年，對接機構與樣品轉移分系統(tǒng)的研制拉開帷幕，團隊成立之初只有8個人，可參考的東西可以說只有“一頁紙”。

要實現(xiàn)電氣功能的整合，打“破”原有的設計方法，就必須建立一套新的設計標準。包括一系列通用化的軟硬件標準、接口標準，甚至建立一套全新的系統(tǒng)集成測試方法，摸索出一套全新與之匹配的產保方法。這難度不亞于將一個機器人“身體”保證不受損的基礎上，將體內所有的骨骼血液拆碎重組，還要保證它“活蹦亂跳”，像金庸小說里最厲害的武林高手一般，“被一掌震破內臟心脈受損，但還能走能跳能聽指揮”，當然小說里描寫的這些不會真的發(fā)生于現(xiàn)實，但團隊做的就是讓它變成現(xiàn)實，打破常規(guī)的設計方略讓資源統(tǒng)籌變可能，一體化設計讓減重不再是難題，綜合電子關鍵技術的攻關，讓軌道器公共資源的利用率大大提升，身輕如燕的軌道器可以張開雙臂踏上奔月之路。

為了做到身材比例的完美，軌道器首次使用大承載復雜構形輕量化結構;首次創(chuàng)新使用多次分離復雜構形;首次使用多冗余路徑復合傳力結構，首次采用大承載復合材料一體成形插層變厚度承力球冠技術等七項創(chuàng)新技術，結構質量比達到9.6%，僅僅46kg的承力球冠能夠承載3噸貯箱，具備30噸的極限承載能力，真正做到“雞蛋殼上掛秤砣”。

通過積極創(chuàng)新設計，軌道器內有錚錚鐵骨，外有完美身材，擎得起飛天夢想，穩(wěn)得住每個動作，成就了可靠的飛天嫦娥。

十年問天路

自2011年軌道器立項起，中國航天科技集團八院探月工程負責人張玉花就帶領團隊“白手起家”，展開了攻堅研制之旅。七年研制、三年貯存，嫦娥五號軌道器是張玉花探月之路上經歷時間最長、研制最為艱苦的一個航天器。

從嫦娥三號、嫦娥四號再到嫦娥五號，張玉花一路走來，從無到有，帶出了一個作風硬朗的探月隊伍，一步一個腳印堅定地走向月球。他們不僅克服了人力資源和條件保障短缺的困難，還在貯存和延壽中經歷磨練，在月球軌道首次無人交會對接、首次樣品轉移等一系列高超難度動作等關鍵技術上實現(xiàn)了突破。為中國航天壯舉貢獻了“上海力量”。

探月工程三期任務最引人矚目的當屬首次在38萬公里之外的月球軌道上進行交會對接，將裝有月壤的樣品容器從上升器轉移至返回器中。為了確?！白サ米?，抱得緊，轉得穩(wěn)”的既定目標，精準可靠控制抱爪機構和轉移機構是關鍵。

2011年，對接機構與樣品轉移分系統(tǒng)的研制拉開帷幕，團隊成立之初只有8個人，可參考的東西可以說只有“一頁紙”。

軌道器副總師胡震宇就和時任對接與樣品轉移分系統(tǒng)主任設計師鄭云青帶領年輕的團隊成員廣泛調研國內外對接機構設計，開展了4種對接方案設計和9種轉移方案設計，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種。胡震宇介紹，通過多輪方案比較及關鍵技術攻關，最終確定了現(xiàn)在的抱爪式對接方案和連桿棘爪轉移方案。

軌道器和上升器在環(huán)月軌道滿足交會對接初始條件時，要求控制器在收到抓捕指令后1秒鐘內控制抓捕機構完成抓捕，21秒內實現(xiàn)兩器剛性連接。眨個眼的工夫就要完成對接？還是在38萬公里外的月球？這可是創(chuàng)紀錄、高難度的考驗。

為驗證方案樣機的功能，團隊提出了吊掛式對接試驗方案。把方案“變現(xiàn)”卻只有短短的幾個月的時間了，沒有捷徑退路?；叵肽嵌巍安簧釙円埂钡碾A段，起初是黑沉沉的夜，然后晨光微微明亮起來。初樣研制兩年半的時間，迭代設計了3連套圖紙，研制了電性件、電測件、鑒定件等6大件。

印象深刻的是鑒定件的力學試驗，產品潤滑采用濺射二硫化鉬，這種特殊的鍍膜材料對濕度極度敏感。在上海的黃梅天，一場不懂休息的雨就可以使外部環(huán)境濕度達到百分之九十以上。當時，振動廠房空調通宵轟鳴，50小時輪番上陣試驗不停，就怕空調突然“罷工”，就怕試驗后的運輸遇到“雨神”眷顧。不眠不休不只是為了保證計劃節(jié)點，更是為了呵護產品。

張玉花從載人航天領域轉向陌生的探月工程，擔任副總設計師、副總指揮，開啟了上海嫦娥團隊的探月之旅。

“當時我們最需要的是方便面和一個整夜的覺?！痹O計師劉洲回憶起那段歲月，只是云淡風輕地笑笑。如何突破一個個關鍵技術難題，如何從無到有建立起一套完備的對接與樣品轉移仿真系統(tǒng)與硬件測試系統(tǒng)，總結起來就是四個字，無所畏懼。對接與樣品轉移分系統(tǒng)現(xiàn)任主任設計師劉仲如是說。人力資源不夠，就用加班充;地測設備不足，就自己研發(fā);直至今日，已經沒有任何困難可以阻擋他們的“孩子”在月球軌道大展風采。

2017年，軌道器團隊厲兵秣馬，卻意外等來了貯存的消息——由于發(fā)射計劃調整，探月三期任務推遲發(fā)射，軌道器隨探測器總體轉入貯存。2019年，經過一年的貯存，當軌道器團隊再次整裝待發(fā)時，卻迎來第二次貯存的消息。面對兩次發(fā)射推遲，整個探月團隊沉默了，但沉默不意味著消沉，沉下心的是誓保成功的堅定信念。

既然為成功守候，那就逆流而上。在嫦娥五號副總設計師查學雷的帶領下，整個團隊對軌道器開展全面深入的壽命分析，確保各個產品設計驗證到位、過程風險受控。在3年的貯存期間，嫦娥五號經歷5次加電自檢，用沉甸甸的數(shù)據證明軌道器功能性能沒有下降;經歷多次發(fā)射窗口的變更與飛行程序的更改，團隊成員對于每一個可能的發(fā)射窗口進行設計復核，制定詳細的方案，確保隨時執(zhí)行發(fā)射任務。

同事們還記得，軌道器總體主任設計師趙晨成天追著能源的專家請教咨詢，不斷推翻又重新建立計算模型，一再細化各個飛行階段整器供電功率的時間軸，反復推演每個可能的發(fā)射窗口的飛行程序所需的能源需求，拿出一份份經得起推敲的供電方案，只為一個目標，能量平衡。團隊每個人心里都有向往勝利的渴望，匯聚成砥礪前行的保成功力量，團隊沒有停止對任務的多維度思考，多層次的梳理，為的是成功。把狀態(tài)控制做得嚴之又嚴，把飛控預案做得慎之又慎，把風險管控做得細之又細，已經扎根在每個人的心里;把操作測試做得穩(wěn)妥可靠，把質量工作做得全面堅實，已經是每個人的標準。

“航天是人類不斷向外探索的領域，我們要去的往往是原來還沒到過的遠方，所以代表了一種探索精神、創(chuàng)新精神，也代表著英雄情結?！睆堄窕ㄕf，深空探測和月球探測本身就十分有價值，探索的過程就意味著人類好奇心的驅動和科技的進步?！案珊教炀偷糜信荛L跑的勁兒，這個周期很長，每一秒都得咬著牙不能停。”