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中国航天科工微波雷达+“惯测小分队”圆满保障月球轨道交会对接

发布时间:2020-12-07    信息来源: 中国航天科工

北京时间12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接。

从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程自主控制,轨道器和返回器组合体逐步靠近上升器,以抱爪的方式捕获上升器,完成交会对接。

后续,嫦娥五号轨道器和返回器组合体将与上升器分离,择机返回地球。

轨道器与上升器完成交会对接

轨道器逐渐接近上升器

上升器与轨返组合体对接过程模拟图

“嫦娥五号”圆满实现月球轨道下的首次自动交会对接,顺利携带月壤标本返回探测器。助力我国实现首次月球轨道交会对接,让探测器跨越38万公里完美实现“太空牵手”的是中国航天科工研制的交会对接微波雷达,在我国首次月壤采样返回任务中发挥关键作用。一路以稳定可靠的表现为嫦娥五号提供高精度加速度信息,为这次交会对接稳住速度的是中国航天科工研制的高精度加速度计组合、石英挠性加速度计及I/F转换电路组成的“惯测小分队”。

 

交会对接微波雷达团队在产品出厂前进行状态检测

嫦娥五号月球采样返回,是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最高的任务。由中国航天科工研制的嫦娥五号交会对接微波雷达,作为探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段,成功引导探测器实现首次月球轨道无人交会对接。该对接技术是嫦娥五号任务中“四大关键技术”之一。

看得清  更精准

月球轨道微波雷达是一组成对产品,由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100km时,微波雷达开始工作,不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数,并进行双向空空通信,两航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后,上升器中的月壤样品和容器转移。

二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武先容,此前的载人航天工程任务中,我国航天器在近地轨道进行过多次交会对接,都应用了航天科工的微波雷达,五战五捷的表现足以证明,我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是,这次是在距离38万公里之外的月球轨道,难度更大。

“与近地轨道相比,月球轨道没有卫星导航等服务资源,微波通信是中远距离的唯一手段。月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。为此,微波雷达团队攻克了相位干涉仪测角、大宽角度测量等关键技术。”孙武重点强调了微波雷达产品应对月球轨道环境的新变化。

其中对于大宽角度的精确测量,孙武带领团队着实下了一番大功夫。

因嫦娥五号的轨道器和上升器交会对接,是体量相差巨大的“大追小”复杂受力过程,采用了抱爪式的弱撞击对接机构。这样一来,需要微波雷达的测角精度更高。

“大家采用了创新的误差补偿算法,进一步提高了微波雷达的测角精度,大幅提升了精准对接的胜算。” 微波雷达项目主任设计师贺中琴先容说。

此外,装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会严重降低测角精度。

为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩,“就像给‘千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’了。”青年设计师纪博已经是第二次参与交会对接任务,说起自己的产品,她自豪与兴奋地打起了比方。

会说话  更可靠

孙武说,“大家为这次交会对接打造的,不仅是‘千里眼’,还是‘顺风耳’,升级后的它更小巧、更强大、更可靠。”

微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”,从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。

“以前就像老师上课点名,雷达发消息,应答机答‘到’。而现在它们不仅自己要通话,还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。”贺中琴说。

同时,在此前“天舟”、“天宫”交会对接微波雷达已经实现减重一半的基础上,这次再进一步开展了轻量化的改进。

“交会对接雷达减去的重量比月壤采样重量还高,哪怕一克的重量减轻,对月壤采样任务的意义,都是巨大的。”孙武感慨。

此次微波雷达在首次地外天体轨道对接过程中的完美表现,与之前载人航天工程的那五次任务一样,毫无悬念、毫无差错。这也是孙武团队对产品质量“零缺陷”的坚持,对“一次成功”的诠释。

每一步的成长记录、每一帧的拍照留存,实现了百分百的过程可追溯;反复的测试迭代和全覆盖的试验验证,确保产品功能、性能的方方面面万无一失。“这没有捷径,‘固化两头,严控过程’是最有效的办法。” 孙武说,“任务不完成,‘双想’不停止。只要一天还没发射,大家就要不断‘预想’、仔细‘回想’。”

“经过七项单机试验、三项分系统试验和五项系统试验的充分验证,大家和它都做好了充分的准备。”临近实行任务的那段日子,贺中琴很是兴奋,她透露,“针对月球轨道的特殊应用,与前几次相比增加了抗月尘试验、抗干扰试验和交会对接无线兼容试验验证,它的表现很好。” 对贺中琴来说,微波雷达就像自己的孩子,出征前,她充满了信心,也充满了期待。

“绝不把任何一点疑惑、缺陷带上太空”,这才是零缺陷的可靠产品。

中国航天科工交会对接微波雷达在月球轨道的完美表现,见证了我国首次在地外天体实现无人交会对接技术。正如孙武所说,“大家已整装待发,向月球进发!向更遥远的深空进发!向更广阔的领域进发!”

加速度计组合研制人员正在进行测试试验

嫦娥五号圆满实现月球轨道下的首次自动交会对接,顺利携带月壤标本返回探测器。由中国航天科工研制的高精度加速度计组合、石英挠性加速度计及I/F转换电路组成的“惯测小分队”,一路以稳定可靠的表现为“嫦娥五号”提供高精度加速度信息,为交会对接稳住速度。

中国航天科工有关专家表示:“要实现自动交会对接,需要以非常精确的控制来确保轨道返回组合体与上升器之间的相对速度尽可能小,而加速度反映的恰恰是速度变化的情况。交会对接时的加速度,只有探测器升空过程中最大加速度的千万分之一量级,高精度加速度计组合能够实现微小加速度的精准测量。”

换言之,有了这支“惯测小分队”的助力,这次38万公里外的 “太空牵手”才不会“擦肩而过”。

组合“队长” 带着“坐垫”去远行

此次交会对接阶段,主要实施加速度测量的高精度加速度计组合是这支“惯测小分队”中的“队长”,这已经是它第三次陪伴“嫦娥”远赴月宫。为了能够给“嫦娥”提供高精度、高可靠的测量表现,组合采用了独特的冗余设计方案,任务可靠度可达0.999983,曾以完美的表现助力“嫦娥三号”、“嫦娥四号”任务圆满成功。

“此次任务,组合主要承担探测器在地月转移、环月飞行、月球轨道交会对接和月地转移阶段的平动加速度测量,以实现对探测器沿轨道飞行和交会对接过程中平稳、准确的机动控制。” 三院33所高精度加速度计组合主任设计师于华男先容说。

为了这一次“远行”,研制团队特地为组合产品增加了新部件——内部减振器。由于此次飞行对组合的抗冲击特性提出了更高的要求,增加内部减振器就像是给组合增加了一组吸振隔振的“坐垫”,有了这些“坐垫”的加持,即使外界环境存在较大的冲击和振动,加速度计组合仍能在相对稳定的环境下正常工作。

然而,减振器的设计和安装可不像加“坐垫”那样简单。三院33所设计师付继波先容说:“减振器安装在组合的多个位置,就像是垫在了柜子的四角,受到冲击时各减振器的变形量存在微小差别,‘垫子’不等高了,加速度计组合就会发生转动,即使是非常微小的转动也会对测量精度带来很大的影响。”为尽可能消除转动变形,团队用两个多月的时间进行了大量的冲击试验,彻底摸清减振器在不同位置、不同冲击条件和不同安装方式下的形变量,最终将形变量控制在了角秒级,确保组合测量精度不受影响。

“金牌搭档”保障全程加速度

“小分队”中的石英挠性加速度计和I/F转换电路是一组“金牌搭档”,在此次任务中,这对“金牌搭档”“承包”了“嫦娥五号”月宫之旅全程各关键阶段的加速度测量任务——不仅在高精度加速度计组合产品中应用,还在着陆上升组合体和返回器的IMU(惯性测量单元)中扮演关键角色。

石英挠性加速度计生产现场

作为加速度测量的核心器件,这对搭档可谓是功勋神器,曾先后助力神舟系列飞船的11次飞行任务和“天舟”、“嫦娥三号”、“嫦娥四号”任务,连战连捷;I/F转换电路还以其高可靠性、高精度的测量信号转换能力,在长征四号、长征六号系列火箭和新一代载人飞船试验船返回舱中成功应用。

石英挠性加速度计是敏感加速度的关键传感器,I/F转换电路则能够将加速度计输出的电流信号转换为适合计算机处理的数字脉冲信号。由于在探测器的不同部分承担的任务各不相同,研制团队分别为加速度计配备了不同量程的I/F转换电路。“信号转换的过程就像是用天平和砝码给信号‘称重’,加速度变化量大电流信号变化量也大,则需要使用大的‘砝码’,” I/F转换电路主任设计师赵洪利这样比喻。

在交会对接和轨道控制过程中,轨道器加速度的变化量不大,团队采用小量程的转换电路,能够在同等条件下提供更高精度的加速度测量信息,以实现对探测器更加精准的速度控制;而在月面着陆和返回再入阶段,加速度变化量大,则采用“砝码较大”的大量程转换电路,满足对加速度信息的完整覆盖,确保“嫦娥”飞行全程的速度变化尽在掌握。

太空之吻“五战五捷”



2011年11月3日  神舟八号与天宫一号交会对接
二院25所研制的微波雷达完美助力“神舟八号”与“天宫一号”首次自动空间交会对接,圆满实现了“首先捕获、稳定跟踪、精确测量”的目标。


2012年6月18日  神舟九号与天宫一号交会对接
在我国首次载人交会对接试验任务中,微波雷达以优于前一次任务的成绩,再让“太空之吻”画面完美定格。神舟九号载人飞船搭载航天员,与天宫一号完成了中国首次手动交会对接。


2013年6月13日  神舟十号与天宫一号交会对接
交会对接微波雷达助力航天员再次完成手动交会对接,交会对接功能得到进一步验证和考验。


2016年10月19日 神舟十一号与天宫二号交会对接
交会对接微波雷达精准导引神舟十一号飞船向天宫二号靠近,最终实现交会对接。参与此次任务的交会对接微波雷达系统包括搭载在神舟十一号飞船上的微波雷达和天宫二号空间实验室上的微波应答机。


2017年4月22日  天舟一号与天宫二号交会对接
微波雷达第五次精准导引“天舟一号”货运飞船和“天宫二号”空间实验室首次对接成功,这是微波雷达升级换代后的第二代产品再次护航。

 

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