嫦娥五号背后:35失败计划不用

原标题：嫦娥五号背后的故事：35个失败计划一个都没用

12月17日凌晨，嫦娥五号成功完成我国首个地外天体采样返回任务，返回者携带珍贵的月球土壤样品，安全降落在内蒙古四子王旗预定区域。消息传来，许多熬夜的科技人员欢呼雀跃。“为了保证任务顺利完成，我们制定了35个失败计划，最后一个没有使用。这是最好的结果！”一位科技人员高兴地说。

“轻装上阵”背后的智能宇航服

北京时间12月17日凌晨1点，北京航天控制中心通过地面监测站向嫦娥五号轨道飞行器和返回舱组合注入高精度导航参数。之后轨道器和返回舱解锁，在南大西洋海平面5000km左右高度正常分离，轨道器按计划完成规避机动。

嫦娥五号轨道飞行器由中国航天科工集团第八研究所研制，搭载39个发动机，分布在舱体的各个位置。在整个任务阶段，轨道飞行器经历了19个飞行阶段、8个飞行姿态和5种不同的构型。

在整个飞行任务中，轨道飞行器成功经受住了太阳、月球和太空的高低温交替考验。温度最低时达到零下200多度，最高时达到1300多度。轨道飞行器热控系统由第八科学院509研究所研制。

据509所热控团队总设计师赵介绍，为了使轨道飞行器既节能又能应对“时冷时热”的严峻考验，热控团队穿上了“智能宇航服”，创造性地采用了集成化轻量化热设计理念、峰值偏移补偿和温度控制策略以及二次热防护复合系统。

为了控制设备的重量，设计团队优化了热管的内部结构，新开发了微结构热管，不仅重量更轻，而且传热能力提高了130%。该团队还将原来厚度均匀的多层隔热组件改为“量身定做”，让每个设备都穿上不同厚度的“宇航服”。

同时散热涂层厚度减少30%，设计了更轻更薄的柔性散热面。采用一体化热设计理念，大大减轻了热控设计的重量。

热控团队通过大量模拟实验，摸索出一套“移峰补偿”的温控策略。通过挖掘在轨卫星的海量运行数据，推导出热控涂层等材料参数的空间影响因素和性能变化规律，建立了精确的在轨温度场预测模型。

在确定了每个装置的在轨温度特性后，研究小组“对症下药”。针对各设备提出了热控系统自主管理模式，实现了近几个月制动、交会对接等关键阶段用电高峰期间的零加热用电目标，确保嫦娥五号有足够的能量完成关键任务。

专家表示，这些热控新技术和新概念不仅将成功护送嫦娥五号，而且有望在未来应用于遥感、深空探测等领域。

“每月铁路运输”背后的35个故障计划

嫦娥五号任务中，轨道飞行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。如果把轨道飞行器比作第一次在月球轨道上成功拾取碎片的“太空信使兄弟”，那么这个“兄弟”的成功，就在于第八科学院研制组十年来的辛勤工作。为了确保“小弟弟”在月球轨道上的成功，研究小组为它制定了35个失败计划。

据嫦娥五号探测器副司令张玉华介绍，为了实现既定的“抓、抓、稳、转”目标，课题组对国内外对接机构的设计进行了广泛调研。共设计了4种对接方案和9种转运方案，包括3种升降器“推”、导轨“动”和回位器“拉”。经过几轮方案比较和关键技术研究，最终采用“抓爪对接机构”，通过增加连杆棘爪传递机构，实现对接和自动传递功能的一体化。这种设计理念世界首创，对接精度达到毫米级。

据嫦娥五号对接转样子系统副主任刘忠介绍，对接转样子系统分为主动部分和被动部分两个单机。驱动部分由三套夹持机构和两套传送机构组成，每套夹持机构和传送机构独立驱动，每套包含一套独立的夹持驱动机构和传送驱动机构。三套夹持机构同步工作完成对接任务，两套转移机构同步工作完成样品转移任务。通过精心计算，将技术指标逐步分解到单机的各个组成部分。

12月6日，轨道器和升降舵交接对接月球轨道，21秒内完成，1秒捕捉，10秒修正，10秒锁定，样品交接成功。“为了保证任务的顺利完成，我们制定了35个失败计划，没有一个被使用。这是最好的结果！”刘忠高兴地说道。

成功背后的661对接和518样本转移测试

“天上一分，地上十年”。通过嫦娥五号发回的视频，人们看到，在轨道器和上升管成功对接后，管状月球土壤样品容器自动从上升管转移到轨道器上。这个过程看似简单，其实很复杂。

嫦娥五号探测器副总设计师查薛磊表示，样品转移交接的顺利完成，不仅需要对接机构的高精度定位，还需要转移工作的顺利、连续、不干涉和配合。更难的是如何在地面对月球轨道进行技术验证。

为了进行地面验证试验，八院805所课题组搭建了整机特性试验台、性能试验台、综合试验台和热真空试验台四个试验系统。通过不断的测试和优化，自动对接和样品转移过程保证万无一失。

高度自主的对接和样品转移、微重力、弱冲击和其他复杂的初始对接条件，每次可靠性验证工作都需要设计地面测试方法和重复进行大量测试。团队成员故意一次又一次地在测试中添加小故障，以便对接机制能够自动识别和排除故障。他们总共进行了661次对接和518次样本转移测试。

从2009年到2020年，八院805所开展了为期十年的月球轨道交会对接和自动样品转移技术研究和工程开发。轻小型弱冲击对接技术、复杂界面自动样品转移技术、对接转移一体化技术等突破性关键技术；解决了轻量化设计、高集成度、高对接精度等关键技术问题，实现了多约束条件下的远距离物品自动转移，为我国实施探月三期工程奠定了技术基础，同时填补了我国轻型小对接机构工程研究领域的空白。

专家认为，对接和在轨自动转移功能的一体化设计能够更好地满足无人深空探测、样本采集、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和维护任务，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。