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“嫦五”成功奔月背後的科大力量

來源︰國防科大作者︰張青斌 張進 關棒磊等責任編輯︰李佳琦
2020-11-24 15:23

2020年11月24日4時30分,大力士長征五號運載火箭,成功將重達8.2噸的嫦娥五號月球探測器一舉送入近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉移軌道,嫦五即將開始歷時23天的探月之旅。這是中國探月工程第六次任務,這也是我國航天領域迄今最復雜、難度最大的任務之一。在這項任務中,國防科技大學科研團隊參與了多個重要項目的設計與研制,為嫦五完成探月任務貢獻出科大力量。

為嫦五“挖土”裝上“慧眼”

嫦娥五號奔月成功,即將開啟“挖土”之旅,中國將實現首次機械臂表層月壤自主采樣。

在整個“挖土”過程中,機械臂及末端采樣器既要避免與月面岩石障礙物或探測器本身發生踫撞,還要能夠高效精確地完成采樣、放樣、抓罐、放罐等關鍵操作。于起峰院士課題組創造性地設計出了基于視覺引導的月面采樣位姿測量方案,相當于給執行任務的機械臂裝上一雙“慧眼”。

由于在已有的月球采樣返回任務中沒有使用攝像測量技術的先例可循,這給該方案的設計帶來了極大的挑戰。此外,月面成像環境極其惡劣︰月晝溫度可高達150℃,月夜下降到近零下180℃,再加上光照和輻射變幻莫測,這讓傳統的攝像測量方法難以適用。

為了保證該項任務能夠圓滿完成,實驗室團隊成員長期去到北京航天某所,埋頭于月面環境模擬實驗室中,緊摳技術上的點滴細節,力爭在每一個環節上都做到精益求精,終于設計研發出了一套月壤表層采樣機械臂視覺引導系統,並且成功通過了嫦娥五號初樣和正樣的研制測試。實驗室團隊成員還將在下個月奔赴北京擔負起嫦娥五號的月面采樣地面保障任務,力保該項任務萬無一失!

為嫦五回“家”保駕護航

“嫦五”此行的一大任務是,獲取月球樣品返回地球。作為我國首次月球采樣返回任務,有望為“繞、落、回”三步走發展戰略畫上圓滿的句號。因此嫦娥五號的“硬件”極其復雜,它由軌道器、返回器、著陸器、上升器“四件套”組成。著陸器將在月表采集到的“寶藏”交給上升器,上升器從月面上升,與軌道器(含返回器)在太空“匯合”,返回器離開軌道器,返回地球。

國防科大載人航天任務規劃與系統仿真課題組針對上升器與軌道器(含返回器)的環月交會對接任務,展開科研攻關,研制了相關模型和軟件,為成功完成“太空之吻”提供技術支撐。這樣意義重大的任務對團隊成員來說“駕輕就熟”,此前“神八”和“天宮一號”的歷史性對接,以及“神九”和“天宮一號”完成的首次載人交會對接,其交會對接飛行任務規劃系統,均出自他們之手。

為嫦五安全著陸提供支撐

發射段和回收段是航天中最驚險、最可能出故障的階段,降落傘回收系統又是動力學中最復雜的系統,地面上空十公里以內的風變化非常頻繁,不確定因素極多,不僅要找出哪塊出了問題,還要不斷做空投驗證,其過程反反復復,極其磨人。

針對嫦娥五號網格化搜救任務的需求,自2020年7月以來張青斌研究員帶領的團隊,反復進行模型校核分析,研究著發射場歷年風場特征和降落傘回收系統的多項不確定性因素,建立“嫦娥五號”降落傘回收系統不確定性條件下的快速分析模型。這套軟件將首次應用于“嫦娥五號”的搜索回收任務,通過對返回器開傘後飛行軌跡的偏差分析,預測返回器的飛行管道,為搜救力量提供精確、詳細的引導信息。

項目組仿真計算的飛行管道

2011年,團隊承擔了嫦娥五號降落傘回收分系統的設計仿真研究工作;今年又承擔了“嫦娥五號”返回器降落傘減速階段的飛行管道計算與落點預報工作,為返回器的搜救任務提供了技術支撐。

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