陽江信息港嫦娥五號作為探月繞落回三步走的收官之戰，將實現我國首次月球無人采樣返回。在本次任務的諸多看點之中，最引人矚目的當屬首次在38萬公里之外的月球軌道上進行交會對接，將裝有月壤的樣品容器從上升器轉移至返回器中。這是人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉移，為了確?！白サ米?，抱得緊，轉得穩”的既定目標，精準可靠控制抱爪機構和轉移機構是關鍵。而實現這個過程的核心就是由中國航天科技集團八院研制的對接與樣品轉移機構。>>>此前報道
嫦娥五號對接與樣品轉移機構的研制成功，為探月三期任務的實施奠定了堅實技術基礎，同時填補了我國在輕小型對接機構工程化研究領域的空白，將為后續深空探測等任務提供有力支撐。
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“小而精”：人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉移
嫦娥五號將實現人類首次月球軌道無人自動交會對接和樣品轉移。雖同名“交會對接”，但嫦娥五號采用的對接方式與我們所熟悉的載人航天采用的對接方式卻有很大的區別。
載人航天使用的對接機構學名叫異體同構周邊式對接機構，在對接后可形成一個80厘米左右的通道，方便航天員在其中穿行。而與近地軌道的任務不同，月球探測對探測器的質量和空間有嚴苛限制，嫦娥五號的對接機構必須做到小而精，其重量要減小到周邊式對接機構的十五分之一，同時，還要具備樣品容器捕獲、自動轉移功能——總之，重量更輕、精度更高、過程更穩。
“抱爪機構具有重量輕、捕獲可靠、結構簡單、對接精度高等優點。因此，我們在嫦娥五號上采用了抱爪式對接機構，通過增加連桿棘爪式轉移機構，實現了對接與自動轉移功能的一體化，這些設計理念都是世界首創?！敝袊教炜萍技瘓F有限公司八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹說。
“所謂的抱爪，其實形象地說，就像我們手握棍子的動作，兩個方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中?！辨隙鹞逄栜壍榔骷夹g副總負責人胡震宇介紹。探測器采用的對接機構就是由3套K形抱爪構成的，當上升器靠近時，只要對準連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實現兩器的緊密連接。
在方案確定之前團隊非常糾結，探月項目狀態復雜、繼承性較弱，可參考的東西可以說只有“一頁紙”，為了完成技術攻關，胡震宇就和時任對接與樣品轉移分系統主任設計師鄭云青帶領年輕的團隊成員廣泛調研國內外對接機構設計，開展了4種對接方案設計和9種轉移方案設計，上升器“推”、軌道器“移”、返回器“拉”各3種。胡震宇介紹，通過多輪方案比較及關鍵技術攻關，最終確定了現在的抱爪式對接方案和連桿棘爪轉移方案。
而軌道器和上升器對接完成后，還要進行一個重要動作，就是將上升器上裝有月壤的樣品容器轉移到返回器中。
“連桿棘爪式轉移機構，采用了一個非常巧妙的設計?！焙鹩罱榻B，“我們利用2套倒三角形構型的棘爪，通過4次伸縮，使得容器逐漸移動到返回器中。這個構形很像我們經常使用的扎帶，相連后就只能單方向傳遞，只能前進不能后退。”
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21秒內完成：1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊
捕獲、收攏、轉移，看似簡單的過程，但在38萬公里之外高速運行的飛行器上實現卻遠遠沒有那么簡單。
“月球軌道相對于地球軌道有時延，時間走廊較小，這就對時效性要求非常高，必須一氣呵成完成對接與轉移任務。”對接機構與樣品轉移分系統技術負責人劉仲解釋，“對接全步驟要在21秒內完成，1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。為此我們做了35項故障預案，從啟動開始到交會對接，全部采用自動控制。”
作為工程研制單位，八院805所從2011年就開始開展相關技術的攻關和工程研制，以突破輕小型弱撞擊式對接、復雜接口自動樣品轉移、對接與轉移一體化等關鍵技術。
“我們構建了整機特性測試臺、性能測試臺、綜合測試臺、熱真空試驗臺四大測試系統，先后進行了661次對接測試、518次樣品轉移測試，通過不斷地測試、優化，確保自動對接與樣品轉移過程的萬無一失。”劉仲介紹，“我們甚至在試驗中故意加入小故障，讓對接機構自動判別，進行故障排除，確保整個過程一氣呵成、穩妥可靠?！?/p>
減重以克計，降功以瓦算
嫦娥五號探測器任務要求極其復雜，對產品研制的各方面條件制約嚴重。就在研制初期，擺在團隊面前最直接的困難就是重量和功耗緊張。對于航天器而言，重量好比黃金，功耗好比白銀；或者說，減重以克計，降功以瓦算，這是一個讓設計師談之色變的永恒難題。
航天器的這些約束，讓軌道器技術副總負責人李天義犯了難——這要求研制團隊除了在艙體結構減重設計上想辦法外，還要對傳統航天器的電氣系統分工和電子產品設計理念進行創新整合和優化。不破不立，李天義帶領的綜合電子研發團隊經過十數輪論證，將原有分散在多個分系統中的能源管理與控制、火工品起爆控制等功能全部集成至數據管理的功能中，形成全新的綜合電子分系統。集中攻關的強度太大，每天查閱資料整理報告重量可以用“噸”來計算，資料連起來可以繞地球一圈，“李總永遠放不下的是老花鏡，為了隨時看報告。”團隊調度杜善亮打趣說。
要實現電氣功能的整合，打“破”原有的設計方法，就必須建立一套新的設計標準。包括一系列通用化的軟硬件標準、接口標準，甚至建立一套全新的系統集成測試方法，摸索出一套全新與之匹配的產保方法。這難度不亞于將一個機器人“身體”保證不受損的基礎上，將體內所有的骨骼血液拆碎重組，還要保證它“活蹦亂跳”。通過一體化設計，讓減重不再是難題，綜合電子關鍵技術的攻關，讓軌道器公共資源的利用率大大提升，身輕如燕的軌道器可以張開雙臂踏上奔月之路。
推遲發射：軌道器三年貯存
時間回溯至2017年，嫦娥五號軌道器團隊厲兵秣馬，卻意外等來了貯存的消息——由于發射計劃調整，探月三期任務推遲發射，軌道器隨探測器總體轉入貯存。2019年，經過一年的貯存，當軌道器團隊再次整裝待發時，發射再次推遲。
在嫦娥五號副總設計師查學雷的帶領下，整個團隊對軌道器開展全面深入的壽命分析，確保各個產品設計驗證到位、過程風險受控。在3年的貯存期間，嫦娥五號經歷5次加電自檢，用沉甸甸的數據證明軌道器功能性能沒有下降；經歷多次發射窗口的變更與飛行程序的更改，團隊成員對于每一個可能的發射窗口進行設計復核，制定詳細的方案，確保隨時執行發射任務。
同事們還記得，軌道器總體主任設計師趙晨成天追著能源的專家請教咨詢，不斷推翻又重新建立計算模型，一再細化各個飛行階段整器供電功率的時間軸，反復推演每個可能的發射窗口的飛行程序所需的能源需求，拿出一份份經得起推敲的供電方案，只為一個目標，能量平衡——軌道器始終枕戈待旦，隨時準備向月球進發。
【記者】 王詩堃 徐勉
【通訊員】 王玓瑭
【策劃統籌】 張志超
【作者】 王詩堃 徐勉 張志超
