“嫦娥四號的月球車進入視野”,6月8日,美國航天局發布“月球勘測軌道飛行器”對中國嫦娥四號著陸點的第二次成像圖片,并拍到了月球車——玉兔二號巡視器。 太空探索永無止境。2019年1月11日,探月工程嫦娥四號任務取得圓滿成功,首次實現了人類在月球背面軟著陸和巡視勘察。在此次任務中,中國航天科技集團五院總體部承擔了嫦娥四號探測器抓總研制以及著陸器總體、熱控、結構與機構、著陸緩沖,巡視器總體、熱控、遙操作分系統等研制工作。在研制過程中,總體部團隊成員攻克了哪些技術難題?如何大力協同,“零異常”完成任務?又有著怎樣令人難忘的經歷?下面來逐一揭曉——

征服月背
——嫦娥四號探測器總體部研制團隊揭秘

  敦煌無人區里的試驗

  在月背軟著陸有多難?

  嫦娥四號探測器項目執行總監張熇告訴記者,探測器要想在月球背面軟著陸遠遠比在月球正面難得多,雖然月球正面也是山峰林立,但地勢相對平坦,可供探測器著陸,此前人類發射的許多探測器和宇航員登月都選擇了這些地方。月球背面卻布滿了溝壑、峽谷、火山口和懸崖,很難找到一塊軟著陸的理想地點。

  要想順利實現既定目標,該怎么辦?面對嫦娥四號登陸月背的第一道難關,來自總體部空間科學與探測總體室的探測器總體設計團隊在張熇總監帶領下,查閱了大量國內外文獻和資料,特別是對嫦娥二號拍攝的月球資料和美國公開發表的圖像資料進行學習研究,同時向多位航天專家和相關科學家咨詢請教,綜合分析月球背面的土壤特性、環境特性及不確定性、元素分布等情況,進行了多輪篩選和迭代。

  最終,在月球背面崎嶇復雜的地形中,著陸器總體主任設計師李飛選擇出整體平坦程度與嫦娥三號虹灣地區相近的主、備兩個著陸區,在任務設計的源頭最大程度地提高了著陸的可靠性和安全性,解決了著陸區選擇的巨大難題。

  對巡視探測器來說,研制試驗主要分為內場試驗和外場試驗。“室內試驗場就在航天城里做,主要模擬月面環境,例如用火山灰模擬月壤。”巡視器遙操作分系統主任設計師彭松告訴記者,由于火山灰顆粒非常細小,會滲透進皮膚,同時又要模擬太陽發光發熱,所以室內溫度很高,大家常常穿著短袖短褲進去,皮膚有時會出現過敏。


嫦娥四號內場試驗


嫦娥四號外場試驗營地

  外場試驗則選擇在敦煌無人區的沙漠里,“大家都住在帳篷和活動板房里。吃飯時飯里有好多沙子,晚上睡覺時經常能聽見狼的叫聲。”彭松說,在這樣的環境中,他們做了整整一個月的試驗。


彭松在外場帳篷中進行試驗測試

  “穩穩一落”背后的系統工程

  為了實現探測任務,著陸器必須具備多種技能:具有能夠靈活轉動的太陽能翅膀、能夠保證安全降落月球的緩沖腿、可以把背上的月球車平穩放到月面的懸梯、具有眼觀八方功能的相機旋轉臂,以及魔術棒一樣的探測天線等。著陸器上面這些功能各異的機構,就是由總體部嫦娥四號結構與機構團隊負責研制的。

  在這些機構中,轉移機構是嫦娥四號探測器的關鍵單機,肩負著將巡視器由著陸器釋放至月面的重任。然而,轉移機構組成復雜,包含了懸梯、緩釋、展開等八個功能模塊,每個模塊都是一個小機構,說它們組成了一個系統都不為過;同時,轉移機構還面臨著惡劣的空間環境,除了承受各種力、熱載荷,需要經歷月塵環境的考驗。

  如何使如此復雜的機構在惡劣環境中可靠工作?

  設計師李新立經過逐步推進,從設計階段的多方案論證、仿真分析、故障分析;到加工裝配階段深入一線,加強質量管控;再到發射場測試過程中的精心組織,率先通過機構專項測試……最終,確保了轉移機構順利將巡視器轉移到月面。


嫦娥四號玉兔二號巡視器駛離著陸器

  嫦娥四號穩定可靠地著陸月球背面,全靠著陸器上面的四條緩沖、支撐一體化的著陸緩沖機構。總體部著陸器著陸緩沖研制團隊從接到研制任務就開始自主創新,突破了多項關鍵技術。著陸緩沖機構具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我壓緊”式方案,既保證了收攏簡單、展開可靠,又省去了與著陸器主結構之間的壓緊點,從而簡化了系統組成和總裝工作,為保證著陸緩沖機構的總裝質量及其在月面的可靠緩沖奠定了基礎。

  “決戰”前發現雷達天線參數的“微小變化”

  2018年10月31日是嫦娥四號著陸器定向天線最終在著陸器上用火工品壓緊的日子。此前一天,晚飯剛過,夜色降臨,西昌衛星發射中心協作樓外寒風瑟瑟。總體部著陸器定向天線研制團隊的10余人圍坐在協作樓一層大堂的小圓桌旁,開始了天線最終壓緊及狀態確認的“戰前”推演。在這之前,研制團隊已經不止一次開展最終壓緊的工藝推演、流程梳理、問題預判等工作。此次會商,是對第二天工作的再梳理、再熟悉、再確認。

  最終壓緊的日子到了。一大早,研制團隊來到技術區,按序進行加熱片和熱敏電阻檢查、雙軸轉動前狀態確認……一直到最后壓緊點膠和最終狀態確認,團隊成員保質保量、按時順利完成了工作,確保了探測器發射場工作有序推進。


嫦娥四號飛控大廳里的團隊成員

  “我們在一次測試過程中發現雷達天線的一個參數有微小的變化,推斷可能存在一些問題。”對嫦娥四號巡視器總體主任設計師申振榮來說,在巡視器出廠前也遇到過難題。

  這時距離出廠已經很近了,但是整個產品重新投產涉及到的環節比較多,按照正常流程至少要花費三、四個月的時間。“我們的單機生產單位連軸轉,計劃調度基本上按小時來安排。最終在不到一個月的時間里完成了該產品的重新投產,在進發射場之前順利研制出來。”申振榮說,這個天線的在軌表現也很好,得到了月球背面月壤的分層結構。

  “我希望自己的工作永遠沒有用到的一天”

  從航天城AIT大廳到著陸驗證場,從月球樓的內場到遠在千里之遙的發射場,處處活躍著嫦娥四號綜合測試團隊的忙碌身影。

  為了充分驗證探測器的各項功能與性能,著陸器與巡視器不僅需要各自完成航天器常規的測試項目,還要增加多項專項試驗,技術難度大、測試周期長。為此,測試團隊制訂各項技術路線,與總體、各分系統協同克服了各階段發生的所有異常。

  發射任務期間,齊天樂和馬千里兩位新人恰好趕上婚禮,他們一邊籌備婚禮,一邊準備進場工作,打點個人行李。婚禮結束后,二人一天也沒耽擱,次日上午就在發射場投入了工作狀態。馬千里更是克服了測試流程復雜,人手緊張等困難,獨立完成了巡視器全部測試細則的編寫,并通過清晰的指令發送和準確的數據判讀,完成各項測試工作。

  據嫦娥四號巡視器總體副主任設計師溫博介紹,巡視器在軌制定的故障預案有116項,大大小小的專項預案加起來有幾百項。“比如在移動系統方面,有車輪沉陷、電壓的異常升高或降低、電流發生異常、整期的溫度突然升高或降低等,如何應對這些問題,都是我要預先想到的。”

  “幸運的是嫦娥四號目前為止在軌工作一切都很順利,沒有用到過任何一項故障預案。”溫博說,“我希望自己的工作永遠沒有用到的一天。”(中央紀委國家監委網站 楊文佳)

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專訪

專訪中國航天科技集團有限公司五院總體部空間科學與探測總體室主任 杜穎

  1.請您介紹一下,在團隊的攬月征程中,突破了哪些技術難題,取得了怎樣的成就?

  正如習近平總書記所說,偉大事業都始于夢想。夢想是激發活力的源泉。我們團隊的夢想,就是圓中華民族自強不息的攬月夢。

  團隊承擔的首個任務,就是研制嫦娥一號衛星,邁開我國探月工程的第一步。我們不畏艱難困苦,勇于挑戰無極限,終于在2007年11月26日,用首幅月面圖像公布,交出了完美的答卷。嫦娥一號突破了月球環繞探測技術,實現了我國首次環月探測,鑄造了我國航天史上繼人造地球衛星、載人航天飛行之后的第三個里程碑。

  緊接著,我們投入到嫦娥二號衛星研制中,全力托舉了我國首顆飛入行星際的探測器奔向深空,完成日-地拉格朗日L2點繞飛探測和圖塔蒂斯小行星飛越探測。與此同時,立項于2008年的嫦娥三號任務也緊鑼密鼓地并行。面對我國航天領域最復雜、難度最大的任務挑戰,團隊艱苦奮斗了近6年,終于在2013年12月14日首次實現了我國地外天體軟著陸和巡視探測,使我國成為繼美國、蘇聯/俄羅斯之后第三個成功實現地外天體軟著陸和巡視勘察的國家。

  與嫦娥三號任務交叉并行的是立項于2011年的探月三期工程,2014年11月1日,經過近9天的飛行,嫦娥五號飛行試驗器圓滿實現了地外天體高速再入返回,使我國掌握了高速半彈道跳躍式返回再入技術,為后續載人登月、行星際著陸探測及再入返回任務奠定了基礎。

  嫦娥四號任務于2016年立項,作為我國探月工程四期的首次任務,嫦娥四號在人類歷史上首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察,首次實現了月球背面同地球的中繼通信,并與多個國家和國際組織開展了具有重大意義的國際合作,成為我國由航天大國向航天強國邁進的重要標志之一。

  目前,團隊成員正全力奮戰在嫦娥五號探測器的研制工作中。一路行來,團隊里的每一個人都心懷夢想、奮勇拼搏,一步一個腳印,一棒接著一棒,在接續奮斗中成就夢想。

  2.在探測深空的征途中,團隊有哪些創新之舉?

  創新決定未來。在廣袤的深空“逐鹿場”,唯有創新才能搶占先機。在探測深空的征途上,我們曾遇到無數的路口,幾乎每一次,我們都選擇了布滿荊棘的創新之路。

  在嫦娥一號衛星研制中,面對全新的深空探測領域,團隊采用多學科、全系統優化設計方法,高起點地確定了我國首個月球探測器的總體方案,突破并掌握了一大批具有自主知識產權的核心技術,使我國成為世界上為數不多的具有深空探測能力的國家。

  在嫦娥二號衛星研制中,我們沒有滿足于原封不動地繼承,而是強化系統創新,自主開創了任務的新目標、新模式,突破了直接地月轉移、行星際軌道設計與控制等關鍵技術,取得了“低成本、高質量、高回報”的突出實效。

  面對嫦娥三號探測器帶來了諸多世界級難題和挑戰,團隊勇挑重擔,逐個攻克,在深空探測器系統設計方面取得了長足進步:我們創新提出了基于光照的自主喚醒總體方案,首次采用立體視覺技術解決了月面環境感知、路徑規劃等難題,開創性地制定了地外天體軟著陸和巡視探測任務的地面驗證試驗方案、體系,在國際上首次實現了著陸與巡視的組合探測。嫦娥三號探測器的成就,被習近平總書記譽為:“在人類攀登科技高峰征程中刷新了中國高度”。

  嫦娥五號飛行試驗器更是無法在地面驗證的高難度任務,團隊創造性地提出了服務艙和返回器雙平臺并行運行的飛行器系統設計方案,完成了輕小型化半彈道跳躍式深空高速再入返回器研制,一舉解決了眾多技術難點,為嫦娥五號探測器的研制鋪平了道路。

  嫦娥四號探測器是團隊“探人類所未至”的又一張響亮名片。團隊沒有滿足于嫦娥三號的成就,而是勇于“做一點不一樣的事”,將任務模式升級為探索月背。為此,我們要面對新增的中繼鏈路、復雜的試驗工況和眾多影響成敗的關鍵點。通過強化兩器一星接口驗證設計,加強精細化控制,我們實現了多項創新,填補系列國際國內空白,充分體現了自主創新要敢下先手棋、善打主動仗的精神。

  3.您認為團隊具有怎樣的航天精神?又如何在實干中成就偉大事業?

  為了打造至善至美的“嫦娥”,團隊大力倡導“追求極致”的工作理念,形成了“嚴慎細實”的工作作風。作為型號抓總單位,我們狠抓關鍵技術和薄弱環節,形成了一種敢于并善于“找茬”的精神,寧可“捕風捉影、小題大做、錙銖必較,甚至是亡羊補牢”,也不能讓衛星帶著隱患上天。因此,世界各國在深空探測領域的成功率尚不足50%,而我們做到了顆顆成功。

  在探月工程這片沃土的哺育下,團隊拼搏十余載春秋,鑄就了“追逐夢想、勇于探索、協同攻堅、合作共贏”探月精神。忘不了,大漠戈壁的試驗,伴著狼嚎入眠,就著沙暴進餐;忘不了,航天城月壤環境試驗,戴著防毒面具判讀數據,人造月壤纖細的粉末透過皮膚侵蝕入肺;忘不了,試驗關鍵時期,術后迅速上崗者有之、有病扛著不看者有之,有的同志在接收肝部腫瘤切除手術前的幾分鐘還通過短信回復技術疑問,叮囑試驗注意事項……

  展望未來,初心未改。嫦娥五號探測器、火星探測器等更加艱巨的任務在召喚著我們。團隊將繼續向著星辰大海進發,為推動我國深空探測事業發展和航天強國建設做出更大的貢獻。

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