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嫦娥五号“绕、落、回”背后的科技力量

来源:光明日报    时间:2020-12-21    


图为搜索回收人员穿戴搬运外骨骼成功完成搜索回收任务。搜索回收分队供图

  12月19日,嫦娥五号从月球挖的“土”正式移交了相关科研单位,我国首次地外天体样品储存和研究工作拉开序幕。回顾此次嫦娥五号月球挖“土”,自11月24日,嫦娥五号发射入轨,经历了地月转移、近月制动、在轨分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交接对接及样品转移、环月等待、月地转移、再入回收等阶段。各环节顺利进行,离不开航天科研人员的科技保障。日前,记者前往中国航天科工集团二院,一探该院多种保障嫦娥五号顺利“绕、落、回”背后的科技力量。

  测量雷达“紧盯”火箭飞行

  在长征五号运载火箭带着焰尾拔地而起的几分钟内,该院23所两部固定式脉冲测量雷达快速采集着火箭的飞行信息,确保指控中心能第一时间掌握全局,做好安全控制。

  这是雷达测量的第一棒。从点火的那一刻开始,23所探测雷达像两双“鹰眼”,紧盯火箭飞行。据相关科研人员介绍,这两部测量雷达主要用于运载火箭发射上升段的外弹道测量,为发射场指控中心实时提供火箭距离、方位、俯仰等精确坐标信息和径向速度数据,一旦火箭飞行出现偏移轨道的状况,即刻就能发现。

  因为不受雨雪台风等天气因素影响,在火箭飞行观测的初始阶段,它们扛起了“大梁”。据介绍,这种测量雷达先后圆满完成长征七号、长征五号首飞等数十次飞行任务,为嫦娥五号飞行保驾工作奠定扎实基础。

  声表面波滤波器让“嫦娥”更“耳聪”

  在此次任务中,该院23所还提供了另外一个“神器”——自主研发的声表面波滤波器,它们同时安装在嫦娥五号及长征五号火箭中,主要应用在测控、应答机等分系统,全力保障嫦娥五号信号接收、过滤杂波,以及各分系统信号接收、处理。

  “航天器发射中一旦有了信号干扰,地面接收到的信息就好比接听串了线的电话。”相关人员介绍说,声表面波滤波器能够轻松过滤掉“高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰”等各种干扰信号,保证发射场指控中心可以清晰接收准确信号,“相当于让‘嫦娥’更‘耳聪’”。

  据了解,为了滤除无用信号,更好助力嫦娥五号太空观测,确保与地面中心的信号畅通,23所对每一个滤波器都精雕细琢,声表滤波器的最细线条宽度达到0.3微米,相当于头发丝直径的1/200,每一个合格的高可靠性声表面波器件,都要在高倍显微镜下“过关斩将”并至少经历3次超声波或等离子清洗,才能保证元器件的可靠性。

  晶体元器件稳住探月“脉搏”

  嫦娥五号的频率信号如同人体的脉搏,脉搏的稳定是它稳定正常工作的前提。

  二院203所研制生产的数百只自主可控晶体元器件,作为嫦娥五号中电子设备的心脏,牢牢稳住嫦娥飞行的“脉搏”。包括晶体振荡器、石英谐振器等在内的多种型号晶体元器件为嫦娥五号的发射、测控、在轨飞行、采样、返回等提供了稳定、可靠的频率信号。

  据介绍,203所研制生产的某型高性能时钟晶体振荡器,可以说是“功勋”产品,此前已大量运用在探月工程中。此次,在嫦娥五号任务中,它再次成为多面手,从充当“千里眼”和“顺风耳”的通信设备、控制嫦娥精准着陆的控制系统,到拍摄“广寒宫”的光学电子设备、控制嫦娥采样返回的控制系统,处处都有它忙碌的身影,全力保障嫦娥五号在遥远的太空中“控得住”“采好样”“顺利返回”。

  203所为嫦娥系列研制的抗冲击温补晶体振荡器,具有频率准确、耐受冲击的特点。此次嫦娥五号使用了数只这样高精度的抗冲击温补晶体振荡器,这些“神器”都是处于“关键岗位”,它们的输出信号频谱干净,为嫦娥五号卫星信标机提供精准信号,保证“嫦娥”平安回家。

  另一型高精度温补晶体振荡器,是频率控制的“大咖”,它可以输出更加精准稳定的频率信号。经过进一步设计和工艺攻关后,能够大幅提高嫦娥五号的性能指标、可靠性、频率稳定度,温度工作范围提高了近一倍,并具有良好的环境适应性。

  微波雷达做“嫦娥”锐利的“眼睛”

  依托首次月壤采样返回任务,二院25所交会对接微波雷达首次实现月球轨道应用。

  25所自主研制的月球轨道交会对接微波雷达,是实现月球轨道交会对接和月壤转移的关键设备,用于嫦娥五号轨道器和上升器之间相对位置与相对姿态的精确测量,同时实现双向空空通信,就像互相能看见的锐利“眼睛”,引导两个航天器最终实现月球轨道交会对接,保证月壤采样安全转移。

  不同于地球轨道交会对接,微波雷达在月球轨道交会对接是远距离测量的唯一手段,也是保证上升器在环月轨道和轨道器对接并把月壤样品转移到轨道器的关键。

  火箭发射后,微波雷达随嫦娥五号探测器飞行约7天到达月球轨道,随后雷达主机及天线随轨道器与返回器形成的轨返组合体环月飞行,应答机主机及应答机天线随着陆器与上升器落月完成月壤采样。之后上升器从月面起飞进入环月轨道,开始月球轨道交会对接。微波雷达在交会对接阶段工作,从约100km处开机工作,为导航控制分系统提供轨道器与上升器间的相对运动参数,同时进行双向空空通信,直至对接机构捕获锁定上升器,将上升器中的月壤样品和容器转移到返回器。

  搬运外骨骼轻松抱“嫦娥”回家

  当嫦娥五号返回器在预定地点着陆后,该院206所搬运外骨骼助力回收大队成功搜救返回器。

  据介绍,这个搬运外骨骼包含上肢助力模块和下肢助力模块,负载能力达50公斤,通过电动直驱助力模块及智能步态分析算法,配合人体上下肢关节发力,降低人体能耗,同时为穿戴者提供了上肢臂力、腰肌及臀大肌助力,在负重搬运机动时可省力约60%,帮助穿戴者承担更大载荷,能够更轻松地抱“嫦娥”回家。

  此次任务中,两名身穿外骨骼的搜救回收队员携带搜救设备从直升机降落点快速机动至返回器着陆点,并在返回器旁插上一面鲜艳的五星红旗。与此同时,搬运外骨骼还协助搜救回收大队在返回器周边快速搭建应急通信、照明及电力保障体系,确保搜救回收任务快速、安全、高效完成,为整个嫦娥五号探月任务收官画上圆满句号。

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