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中國航天科工微波雷達+“慣測小分隊”圓滿保障月球軌道交會對接

發布時間:2020-12-07    信息來源: 中國航天科工

北京時間12月6日5時42分,嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接,并于6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國首次實現月球軌道交會對接。

從上升器進入環月飛行軌道開始,通過遠程導引和近程自主控制,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,完成交會對接。

后續,嫦娥五號軌道器和返回器組合體將與上升器分離,擇機返回地球。

軌道器與上升器完成交會對接

軌道器逐漸接近上升器

上升器與軌返組合體對接過程模擬圖

“嫦娥五號”圓滿實現月球軌道下的首次自動交會對接,順利攜帶月壤標本返回探測器。助力我國實現首次月球軌道交會對接,讓探測器跨越38萬公里完美實現“太空牽手”的是中國航天科工研制的交會對接微波雷達,在我國首次月壤采樣返回任務中發揮關鍵作用。一路以穩定可靠的表現為嫦娥五號提供高精度加速度信息,為這次交會對接穩住速度的是中國航天科工研制的高精度加速度計組合、石英撓性加速度計及I/F轉換電路組成的“慣測小分隊”。

 

交會對接微波雷達團隊在產品出廠前進行狀態檢測

嫦娥五號月球采樣返回,是我國航天領域迄今為止最復雜、難度最高的任務。由中國航天科工研制的嫦娥五號交會對接微波雷達,作為探測器在月球軌道中遠距離測量的唯一手段,成功引導探測器實現首次月球軌道無人交會對接。該對接技術是嫦娥五號任務中“四大關鍵技術”之一。

看得清  更精準

月球軌道微波雷達是一組成對產品,由雷達主機和應答機組成,分別安裝在嫦娥五號探測器的軌道器和上升器上。當軌道器、上升器相距約100km時,微波雷達開始工作,不斷為導航控制分系統提供兩航天器之間的相對運動參數,并進行雙向空空通信,兩航天器根據雷達提供信號調整飛行姿態,直至軌道器上的對接機構捕獲、鎖定上升器。隨后,上升器中的月壤樣品和容器轉移。

二院25所交會對接微波雷達總工程師孫武介紹,此前的載人航天工程任務中,我國航天器在近地軌道進行過多次交會對接,都應用了航天科工的微波雷達,五戰五捷的表現足以證明,我國已經成功掌握交會對接技術。但不同的是,這次是在距離38萬公里之外的月球軌道,難度更大。

“與近地軌道相比,月球軌道沒有衛星導航等服務資源,微波通信是中遠距離的唯一手段。月軌環境更復雜,要克服月球引力影響,所以自動交會對接對微波雷達提出的要求極為苛刻。為此,微波雷達團隊攻克了相位干涉儀測角、大寬角度測量等關鍵技術?!睂O武重點強調了微波雷達產品應對月球軌道環境的新變化。

其中對于大寬角度的精確測量,孫武帶領團隊著實下了一番大功夫。

因嫦娥五號的軌道器和上升器交會對接,是體量相差巨大的“大追小”復雜受力過程,采用了抱爪式的弱撞擊對接機構。這樣一來,需要微波雷達的測角精度更高。

“我們采用了創新的誤差補償算法,進一步提高了微波雷達的測角精度,大幅提升了精準對接的勝算?!?微波雷達項目主任設計師賀中琴介紹說。

此外,裝有對接用應答機的上升器在落月時難免形成揚塵,這些肉眼不可見的月塵干擾將會嚴重降低測角精度。

為確保安全度過月球之旅,應答機上安裝了特殊材料的防塵罩,“就像給‘千里眼’戴上了‘護目鏡’,‘嫦娥’的這雙‘千里眼’,就不會變成‘近視眼’,甚至‘全盲’了?!鼻嗄暝O計師紀博已經是第二次參與交會對接任務,說起自己的產品,她自豪與興奮地打起了比方。

會說話  更可靠

孫武說,“我們為這次交會對接打造的,不僅是‘千里眼’,還是‘順風耳’,升級后的它更小巧、更強大、更可靠?!?/p>

微波雷達在保證交會對接測量“本職工作”的同時,升級了航天器之間雙向空空通信的“第二職業”,從雷達與應答機之間“一問一答”的傳輸方式,升級至軌道器與上升器之間的“溝通對話”,實現了遙控指令和遙測參數的雙向傳輸。

“以前就像老師上課點名,雷達發消息,應答機答‘到’。而現在它們不僅自己要通話,還要負責上升器和軌道器之間的信息傳遞?!辟R中琴說。

同時,在此前“天舟”、“天宮”交會對接微波雷達已經實現減重一半的基礎上,這次再進一步開展了輕量化的改進。

“交會對接雷達減去的重量比月壤采樣重量還高,哪怕一克的重量減輕,對月壤采樣任務的意義,都是巨大的?!睂O武感慨。

此次微波雷達在首次地外天體軌道對接過程中的完美表現,與之前載人航天工程的那五次任務一樣,毫無懸念、毫無差錯。這也是孫武團隊對產品質量“零缺陷”的堅持,對“一次成功”的詮釋。

每一步的成長記錄、每一幀的拍照留存,實現了百分百的過程可追溯;反復的測試迭代和全覆蓋的試驗驗證,確保產品功能、性能的方方面面萬無一失?!斑@沒有捷徑,‘固化兩頭,嚴控過程’是最有效的辦法?!?孫武說,“任務不完成,‘雙想’不停止。只要一天還沒發射,我們就要不斷‘預想’、仔細‘回想’?!?/p>

“經過七項單機試驗、三項分系統試驗和五項系統試驗的充分驗證,我們和它都做好了充分的準備?!迸R近執行任務的那段日子,賀中琴很是興奮,她透露,“針對月球軌道的特殊應用,與前幾次相比增加了抗月塵試驗、抗干擾試驗和交會對接無線兼容試驗驗證,它的表現很好?!?對賀中琴來說,微波雷達就像自己的孩子,出征前,她充滿了信心,也充滿了期待。

“絕不把任何一點疑惑、缺陷帶上太空”,這才是零缺陷的可靠產品。

中國航天科工交會對接微波雷達在月球軌道的完美表現,見證了我國首次在地外天體實現無人交會對接技術。正如孫武所說,“我們已整裝待發,向月球進發!向更遙遠的深空進發!向更廣闊的領域進發!”

加速度計組合研制人員正在進行測試試驗

嫦娥五號圓滿實現月球軌道下的首次自動交會對接,順利攜帶月壤標本返回探測器。由中國航天科工研制的高精度加速度計組合、石英撓性加速度計及I/F轉換電路組成的“慣測小分隊”,一路以穩定可靠的表現為“嫦娥五號”提供高精度加速度信息,為交會對接穩住速度。

中國航天科工有關專家表示:“要實現自動交會對接,需要以非常精確的控制來確保軌道返回組合體與上升器之間的相對速度盡可能小,而加速度反映的恰恰是速度變化的情況。交會對接時的加速度,只有探測器升空過程中最大加速度的千萬分之一量級,高精度加速度計組合能夠實現微小加速度的精準測量?!?/p>

換言之,有了這支“慣測小分隊”的助力,這次38萬公里外的 “太空牽手”才不會“擦肩而過”。

組合“隊長” 帶著“坐墊”去遠行

此次交會對接階段,主要實施加速度測量的高精度加速度計組合是這支“慣測小分隊”中的“隊長”,這已經是它第三次陪伴“嫦娥”遠赴月宮。為了能夠給“嫦娥”提供高精度、高可靠的測量表現,組合采用了獨特的冗余設計方案,任務可靠度可達0.999983,曾以完美的表現助力“嫦娥三號”、“嫦娥四號”任務圓滿成功。

“此次任務,組合主要承擔探測器在地月轉移、環月飛行、月球軌道交會對接和月地轉移階段的平動加速度測量,以實現對探測器沿軌道飛行和交會對接過程中平穩、準確的機動控制?!?三院33所高精度加速度計組合主任設計師于華男介紹說。

為了這一次“遠行”,研制團隊特地為組合產品增加了新部件——內部減振器。由于此次飛行對組合的抗沖擊特性提出了更高的要求,增加內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,即使外界環境存在較大的沖擊和振動,加速度計組合仍能在相對穩定的環境下正常工作。

然而,減振器的設計和安裝可不像加“坐墊”那樣簡單。三院33所設計師付繼波介紹說:“減振器安裝在組合的多個位置,就像是墊在了柜子的四角,受到沖擊時各減振器的變形量存在微小差別,‘墊子’不等高了,加速度計組合就會發生轉動,即使是非常微小的轉動也會對測量精度帶來很大的影響?!睘楸M可能消除轉動變形,團隊用兩個多月的時間進行了大量的沖擊試驗,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,確保組合測量精度不受影響。

“金牌搭檔”保障全程加速度

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

石英撓性加速度計生產現場

作為加速度測量的核心器件,這對搭檔可謂是功勛神器,曾先后助力神舟系列飛船的11次飛行任務和“天舟”、“嫦娥三號”、“嫦娥四號”任務,連戰連捷;I/F轉換電路還以其高可靠性、高精度的測量信號轉換能力,在長征四號、長征六號系列火箭和新一代載人飛船試驗船返回艙中成功應用。

石英撓性加速度計是敏感加速度的關鍵傳感器,I/F轉換電路則能夠將加速度計輸出的電流信號轉換為適合計算機處理的數字脈沖信號。由于在探測器的不同部分承擔的任務各不相同,研制團隊分別為加速度計配備了不同量程的I/F轉換電路?!靶盘栟D換的過程就像是用天平和砝碼給信號‘稱重’,加速度變化量大電流信號變化量也大,則需要使用大的‘砝碼’,” I/F轉換電路主任設計師趙洪利這樣比喻。

在交會對接和軌道控制過程中,軌道器加速度的變化量不大,團隊采用小量程的轉換電路,能夠在同等條件下提供更高精度的加速度測量信息,以實現對探測器更加精準的速度控制;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”的大量程轉換電路,滿足對加速度信息的完整覆蓋,確?!版隙稹憋w行全程的速度變化盡在掌握。

太空之吻“五戰五捷”



2011年11月3日  神舟八號與天宮一號交會對接
二院25所研制的微波雷達完美助力“神舟八號”與“天宮一號”首次自動空間交會對接,圓滿實現了“首先捕獲、穩定跟蹤、精確測量”的目標。


2012年6月18日  神舟九號與天宮一號交會對接
在我國首次載人交會對接試驗任務中,微波雷達以優于前一次任務的成績,再讓“太空之吻”畫面完美定格。神舟九號載人飛船搭載航天員,與天宮一號完成了中國首次手動交會對接。


2013年6月13日  神舟十號與天宮一號交會對接
交會對接微波雷達助力航天員再次完成手動交會對接,交會對接功能得到進一步驗證和考驗。


2016年10月19日 神舟十一號與天宮二號交會對接
交會對接微波雷達精準導引神舟十一號飛船向天宮二號靠近,最終實現交會對接。參與此次任務的交會對接微波雷達系統包括搭載在神舟十一號飛船上的微波雷達和天宮二號空間實驗室上的微波應答機。


2017年4月22日  天舟一號與天宮二號交會對接
微波雷達第五次精準導引“天舟一號”貨運飛船和“天宮二號”空間實驗室首次對接成功,這是微波雷達升級換代后的第二代產品再次護航。

 

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