浅谈嫦娥五号背后的故事

12月17日凌晨，嫦娥五号圆满完成我国首次地外天体采样返回任务，返回器携带珍贵的月壤样品，在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。消息传来，中国航天科技集团八院许多彻夜未眠的科技人员欢呼雀跃。“为保证任务顺利完成，我们做了35项故障预案，最后一项都没有用到，这就是最好的结果！”一位科技人员高兴地说。

“轻装上阵”背后的智能太空服

北京时间12月17日凌晨1时许，北京航天飞行控制中心通过地面测控站，向嫦娥五号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后，轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处，正常解锁分离，轨道器按计划完成规避机动。

嫦娥五号轨道器由中国航天科技集团八院研制，共配备了39台发动机，分布在舱体的各个位置。在整个任务阶段，轨道器共历经19个飞行阶段、8种飞行姿态及5种不同的构型。

在整个任务飞行过程中，轨道器成功经受了太阳、月球和空间的高低温交替考验。温度最低时，达到零下二百多摄氏度，最高时达到了1300多摄氏度。轨道器热控系统由八院509所研制。

据509所热控团队主任设计师赵吉喆介绍，为了让轨道器既能节约能源“轻装上阵”，又能应对“时冷时热”的严酷考验，热控团队给轨道器穿上了“智能太空服”，开创性采用了一体轻量化热设计理念、错峰补偿控温策略和二次热防护复合系统。

为了控制设备重量，设计团队对热管内部结构进行了优化设计，新研制了微结构热管，不仅质量更轻，而且传热能力增加达130%。团队还把原本厚度统一的多层隔热组件，改变为“量体裁衣”，让每台设备穿上厚薄不同的“太空服”。

同时，将散热涂层厚度减小了30%，设计了更轻、更薄的柔性散热面，通过采用一体化热设计理念，大大降低了热控设计的重量。

通过大量的仿真试验，热控团队探索出一套“错峰补偿”的控温策略。通过对在轨卫星海量运行数据的挖掘，推断出热控涂层等材料参数的空间影响因素和性能变化规律，建立准确的温度场在轨预测模型。

摸准了每台设备在轨温度特性后，团队“对症下药”。针对每台设备提出热控系统自主管理模式，实现热控系统在近月制动、交会对接等关键阶段的用电高峰期时，加热功耗为零的目标，确保了嫦娥五号有充足的能源完成关键任务。

专家们表示，这些热控的新技术、新理念，不仅成功为嫦娥五号保驾护航，今后还可望应用于遥感、深空探测等更多领域。

“月轨取件”背后的35项故障预案

在嫦娥五号任务中，轨道器成功完成了地月往返运输、月球轨道交会对接、样品容器转移等重要任务。如果将轨道器比喻为一位首次在月球轨道上成功取件的“太空快递小哥”，这位“小哥”功成名就的背后，是八院研制团队长达十年的辛勤付出。为了保证“小哥”在月球轨道上成功取件，研制团队为它制定了35项故障预案。

据嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍，为了实现轨道器与上升器“抓得住，抱得紧，转得稳”的既定目标，研究团队曾广泛调研了国内外对接机构的设计。共开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计，上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种，通过多轮方案比较及关键技术攻关，最终确定采用“抱爪式对接机构”，通过增加连杆棘爪式转移机构，实现对接与自动转移功能的一体化。这种设计理念世界首创，对接精度达到毫米级。

据嫦娥五号对接与样品转移分系统副主任师刘仲介绍，对接与样品转移分系统分为主动件和被动件两个单机。主动件包含3套抱爪机构和2个转移机构，每套抱爪机构和转移机构均为独立驱动，均含有独立的抱爪驱动机构和转移驱动机构。3套抱爪机构同步工作完成对接任务，2套转移机构同步工作完成样品转移任务。通过周密计算，技术指标一步步分解到单机下属的各个部组件。

12月6日，轨道器与上升器在环月轨道上交会对接，按计划在21秒内完成，1秒捕获，10秒校正，10秒锁紧，分秒不差，此后顺利完成样品转移交接。“为保证任务顺利完成，我们做了35项故障预案，结果一项都没有用上，这就是最好的结果！”刘仲高兴地说。

成功背后的661次对接和518次样品转移试验

“天上一分钟、地上十年功”。通过嫦娥五号发回的视频，人们看到轨道器与上升器成功对接后，管状的月壤样品容器自动从上升器转移到轨道器。这一过程看似简单，实则也很复杂。

据嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍，顺利完成样品转移交接，不仅需要对接机构高精准定位，转移工作运动平稳、连续、互不干扰、互相配合，更难的是如何在地面进行月球轨道的技术验证？

为了在地面上开展验证试验，八院805所研制团队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，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程的万无一失。

高度自主的对接与样品转移、微重力、弱撞击等复杂的对接初始条件，每一项可靠性验证工作，都汇集了一次次地面试验方法的设计与无数次试验的重复。团队成员一次次在试验中故意加入小故障，让对接机构自动判别，进行故障排除，他们累计共开展了661次对接和518次样品转移试验。

从2009年至2020年，八院805所整整开展了十年的月球轨道交会对接与自动样品转移技术攻关和工程研制。突破了轻小型弱撞击式对接技术、复杂接口自动样品转移技术、对接与转移一体化技术等关键技术；解决了轻量化设计、集成性高、对接精度高的轻小型对接技术，及在多重约束条件下实现大行程物品自动转移等关键技术难题，为我国探月三期任务实施奠定了技术基础，同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白。

专家们认为，对接与在轨自动转移功能一体化设计，能够更好的适应深空无人探测和样品采集、转移等任务类型的需求，为我国后续大型卫星近地轨道补给维护任务，以及其他深空探测任务等项目奠定技术基础，具有重要的战略意义。
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