嫦娥五号是如何完美落月的？

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记者从国家航天局获悉，12 月 1 日 23 时 11 分，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区，并传回着陆影像图。


这是 12 月 1 日拍摄的嫦娥五号探测器着陆画面。新华社发
成功着陆后，着陆器在地面控制下，进行了太阳翼和定向天线展开等状态检查与设置工作，将正式开始持续约 2 天的月面工作，预计将采集 2 千克左右的月球样品。
这看似轻松的一幕，实际上却历尽艰辛，嫦娥五号探测器要像跳伞运动员一样在深空完成一系列高难度动作：主动减速、快速调整、接近、悬停避障、缓速下降和自由下落段……这背后离不开高科技的保驾护航。




图表来源：经济日报
GNC 高精度关键技术
嫦娥五号任务的落月和近月制动一样，都是只有一次机会，必须一次成功。
由于涉及采样后上升器的月面起飞，所以，嫦娥五号落月的过程也是为后续上升器月面起飞选择 " 发射场 " 的过程。相较于嫦娥三号、四号，嫦娥五号对于着陆点的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要一个着陆区域内无太高的凸起、无太深的凹坑，坡度要符合任务要求。
可以说，落月的过程就是边飞行边找寻落点，在 15 分钟内完成，约 600 公里外的全程自主跳伞。
为了实现 " 选址正确，落点准确 "，嫦娥五号采用了已经在嫦娥三号和四号上应用的 " 粗精接力避障 " 的方式，即制导导航与控制（GNC）系统，在该系统的指挥下，着陆器和上升器组合体先是大推力反向制动快速减速，然后快速调整姿态并对预定落区地形进行拍照识别，避开大的障碍，实现 " 粗避障 "，然后组合体在飞到距离月面 100 米时悬停，并再次对选定区域进行精确拍照，实现 " 精避障 "，之后再斜向下飘向选定的着陆点，在移动到着陆点正上方之后开始竖直下降，到距离月面较近时关闭发动机，然后利用着陆腿的缓冲实现软着陆。


国家航天局供图
着陆缓冲机构显身手
落月的关键在于平稳。嫦娥五号着陆上升组合体在落月时，撞击月面会形成较大的冲击载荷，必须设计相应的着陆缓冲系统，吸收着陆的冲击载荷，保证探测器不翻倒、不陷落，这是落月的技术难题之一。着陆缓冲机构，通俗地说就是嫦娥五号的 " 腿 "。
这四条缓冲、支撑一体化的 " 腿 " 可不一般，它们来自于机构分系统团队精心设计、巧手研制，更来源于嫦娥三号、嫦娥四号的完美基因。着陆缓冲机构具有完全自主知识产权的 " 偏置收拢、自我压紧 " 式方案，保证了收拢简单、展开可靠，解决了着陆缓冲、着陆稳定性等多方面的问题。
与嫦娥三号的着陆缓冲设计方案相比，由于任务难度增加，嫦娥五号任务的着陆缓冲能力要求提高了 30％，但机构重量指标却减少了 5％。这为总体设计部的团队成员带来了不小的难题。面临减重的难关，研制团队反复迭代，每次修改完设计，讨论时一旦发现新的减重突破口，又毫不犹豫地再次推翻设计、继续修改，最终成功满足了设计指标，确保了嫦娥五号稳定可靠地完成与月球的亲密拥抱。


嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像。国家航天局供图
精妙的 " 外脑 "" 外眼 "
其实在嫦娥五号的落月过程中还有两个精妙的设计：
一是虽然表面上看是着陆器 " 背着 " 上升器软着陆到了月面上，但实际上整个落月的过程着陆器 GNC 系统的工作和智能自主的指挥过程都借助了 " 外脑 " 和 " 外眼 "。这个 " 外脑 " 和 " 外眼 "，分别就是上升器月面起飞时要用的 " 最强大脑 " 中央控制计算机，和通过 " 看星星 " 确定自己姿态的星敏感器。这是设计人员根据 " 上升器全程陪同着陆器 " 的实际想出的妙招，既节约了成本又减轻了重量。
二是由于距离月面较近时主发动机会激起的月尘污染星敏感器，从而影响上升器月面起飞，所以科研人员专门设计了盖子，在距离月面一定的高度时把星敏感器的镜头盖起来，称之为 " 天黑请闭眼 "，待落月之后月尘散去再通知星敏感器把盖子打开，这 " 一睁一闭 " 之间，着陆器和上升器组合体已经顺利着陆在月亮之上了。
嫦娥五号探测器软着陆后降落相机拍摄的图像。国家航天局供图
定向天线 " 一线牵 "
落月牵动人心。38 万公里外的嫦娥五号正经历着什么样的考验？
所有的讯息，都需通过着陆上升组合体的一口小小的 " 锅 " 来实时传送遥测数据。这个 " 小锅 " 就是定向天线——把探测器上的数据传输到地面的发射转换装置。
从月球把数据发送回地球，通信的距离相比地面手机通信，远了几万倍，这就需要采取特殊的对地定向天线来发送数据。
定向天线包含了反射面天线辐射器、双轴驱动机构。双轴驱动机构就像人的肩关节、肘关节，驱动反射天线辐射器灵活地转动，确保 " 小锅 " 始终对准地面。为了使整器减重，此款反射面天线极致轻量化设计，相比同类天线减重 40％以上，既轻便又可靠。
来源 / 经济日报 · 经点科学工作室（记者姜天骄）
栏目主编：顾万全 张武 本文作者：经济日报 文字编辑：卢晓川