落下去 分得開 看得見 走起來——中國航天科工30余項技術(shù)產(chǎn)品全程保障嫦娥三號任務(wù)

□ 本刊特約記者 朱紀(jì)立

從“飛天”到“奔月”，中國航天帶給世界太多的驚喜。在這一份份沉甸甸的驚喜背后，熔煉了中國航天無數(shù)名科技人員的智慧結(jié)晶。在“嫦娥三號”任務(wù)背后，有數(shù)以萬計的“螺絲釘”一直伴隨著她閃耀的登月之旅，為她提供著堅強的保障。

神話中，嫦娥是吃了仙丹才飛到了月球，現(xiàn)實中，這枚“仙丹”就是由幾代航天人鑄就的航天高科技。作為重要的技術(shù)配套和保障單位，中國航天科工所屬17家單位的30余項技術(shù)產(chǎn)品及軟件測評服務(wù)，為嫦娥三號“落下去、分得開、看得見、走起來”的各階段目標(biāo)提供全程保障支撐，助力我國開啟和平開發(fā)利用太空的新征程。

穩(wěn)穩(wěn)hold住速度 精準(zhǔn)操控落月

作為“中華牌”的航天器首次地外天體著陸任務(wù)，“嫦娥落月”成為了舉世矚目的焦點。而這其中，中國航天科工再次發(fā)揮“大安全”理念下積淀的技術(shù)成果和優(yōu)勢，為嫦娥登月提供精準(zhǔn)安全的技術(shù)支撐。

嫦娥三號經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移變軌、環(huán)月軌道保持和動力下降三個階段，其中速度控制是關(guān)鍵因素，航天科工研制的高精度加速度計組合如同“感應(yīng)精靈”，幫助嫦娥三號在奔月、登月路上hold住飛行速度，確保實現(xiàn)精確的變軌控制和平穩(wěn)、準(zhǔn)確的著陸控制。

該組合的核心部件石英撓性加速度計正是助力我國載人航天工程的“老字號”產(chǎn)品。經(jīng)過進一步改良后，探月工程加速度計組合件測量精度提升了20%，溫度工作范圍提高了一倍。而且，此次組合還有另外兩大優(yōu)勢：

2013年12月17日至18日，著陸器地形地貌相機拍攝的著陸器周邊360°范圍的全景鑲嵌影像圖，采用方位投影方式表達

一是采用新型冗余設(shè)計方案，可靠度進一步提升，在成本、體積、重量、功耗方面都具有較大優(yōu)勢。

二是該產(chǎn)品具有很好的故障檢測能力。這就好比將一支6人組成的樂隊任意抽出3人組成20支小樂隊進行演奏，通過判斷這些小樂隊中哪幾支的發(fā)揮明顯出現(xiàn)問題來定位到其中濫竽充數(shù)的樂手，從而剔除出去，確保其他水平正常的樂手繼續(xù)擔(dān)當(dāng)演奏任務(wù)。

該組合所用的加速度計的技術(shù)實力目前在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位，以此技術(shù)為基礎(chǔ)，三院開發(fā)了性能優(yōu)良的民用產(chǎn)品，其中，最具代表性的產(chǎn)品包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、無線隨鉆測量系統(tǒng)和磁性連續(xù)測斜儀等，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)曾成功應(yīng)用于汶川地震救災(zāi)和舟曲災(zāi)后重建，無線隨鉆測量系統(tǒng)和磁性連續(xù)測斜儀則分別應(yīng)用在油田的鉆井和測井過程。

另一項為嫦娥三號著陸器實現(xiàn)“落下去”的功勛產(chǎn)品，是航天科工研制的γ關(guān)機敏感器。據(jù)了解，要真正實現(xiàn)我國航天器踏上月球，必須突破月面“軟著陸”控制技術(shù)，其中落月高度的控制尤為關(guān)鍵。當(dāng)嫦娥三號從環(huán)月飛行轉(zhuǎn)到月面著陸工作階段時，需要通過開啟發(fā)動機控制“姿態(tài)”向月球緩慢下降，隨著落月過程的開始，置于嫦娥三號底部的γ關(guān)機敏感器實時精確測量嫦娥三號與月面的距離。當(dāng)探測到距月面數(shù)米高度時，發(fā)出關(guān)機指令關(guān)閉發(fā)動機。這個關(guān)機指令的發(fā)出，是實現(xiàn)“嫦娥落月”的關(guān)鍵動作，決定著“落月”任務(wù)的成敗。

之后，隨著發(fā)動機反推力的撤離，著陸器在月球引力作用下以自由落體的方式著陸，成功踏上月球。

航天科工研制的γ關(guān)機敏感器依靠自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，攻克了航天器月面軟著陸核心技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品適應(yīng)月面復(fù)雜環(huán)境、高精度測距、高可靠性、體積小、質(zhì)量輕，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

γ關(guān)機敏感器吊高試驗

兩器分得開 “玉兔”平穩(wěn)著陸

在嫦娥三號著陸器安全著陸后，與著陸器緊緊相連的 “玉兔”月球車將實施按時分離動作，之后，分離后的巡視器在抬升機構(gòu)板簧組件的作用下，按自主軌道順利滑向月球表面，進行月球表面巡視工作。航天科工三院承擔(dān)著壓緊釋放裝置、車體連接解鎖機構(gòu)和抬升機構(gòu)板簧三種部件的研制與生產(chǎn)，在嫦娥三號登月過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

此前，這種連接分離機構(gòu)已在載人航天工程中成功應(yīng)用，它如飛船的臂膀，毫秒不差、收放自如地將各個艙段按需拆合，保障飛船安全進入軌道運行、返回地球、到達預(yù)定著陸點和安全著陸等各關(guān)鍵階段。

壓緊釋放裝置和車體連接解鎖機構(gòu)都是火工裝置，前者用于著陸緩沖機構(gòu)多功能輔助支柱的收攏壓緊與展開釋放，在入軌前將著陸器的四條腿牢固的壓在著陸器身體上，在進入軌道后火攻裝置同時釋放，著陸器的四條腿解除約束，為降落月球表面做準(zhǔn)備；后者用于“玉兔”和著陸器的連接與解鎖，當(dāng)著陸器降落月球表面后，車體連接解鎖機構(gòu)使巡視器和著陸器按時分離，與此同時，分離后的“玉兔”在抬升機構(gòu)板簧組件的作用下，按自主軌道順利滑向月球表面，進行月球表面巡視工作。兩種火工機構(gòu)能否在既定時間按時解鎖，決定著此次任務(wù)的成敗。

這兩種零件殼體，一是尺寸要求精度高，二是內(nèi)孔邊緣壁厚要求極薄，加工容易變形，因此，加工難度和風(fēng)險極大，為控制其變形，工藝人員采取了幾種方法進行技術(shù)控制，比如加工過程中減小進給量、切削深度和切削速度，同時，增加熱處理工序，使其應(yīng)力釋放。

抬升機構(gòu)板簧組件，在巡視器解鎖后實現(xiàn)巡視器的抬升，以便于巡視器進入脫離軌道，離開著陸器。由于板簧彈力值和伸縮高度都有嚴(yán)格設(shè)計要求，因此選材特殊，加工要求嚴(yán)格，特別是給熱處理帶來極大難度。技術(shù)人員充分發(fā)揮才智，在加工過程中，運用了大量的工裝輔助，包括成型、校型、定型等過程，并且在成型、校型、定型的過程中，進行了多次真空熱處理，解決了重大疑難問題，成功實現(xiàn)了技術(shù)要求。

由中國航天科工二院承制生產(chǎn)的諧波減速器工藝先進，精度很高，作為月球車著陸裝置轉(zhuǎn)移機構(gòu)的關(guān)鍵部件，有力保證了嫦娥三號月球車在月球表面軟著陸時的安全性，使“玉兔”像乘坐電梯一樣的平穩(wěn)安全著陸。

諧波減速器與傳統(tǒng)的齒輪減速器相比具有更加輕量化、體積小、傳動減速比大、承載能力大等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、船舶、精密機器人等各類機械行業(yè)。此前，早在20世紀(jì)80年代，二院即生產(chǎn)出國內(nèi)首臺諧波減速器，打破了西方國家的壟斷。

車體連接分離機構(gòu)研制團隊

航天精工高精度緊固件研制場景

嫦娥三號著陸器行走臂釋放試驗

嫦娥三號巡視器外場專項試驗

眾所周知，空間工程對產(chǎn)品的一項重要要求就是控制重量，甚至有人計算過，產(chǎn)品每多1克，那么將給整個任務(wù)增加不止1克黃金的成本。此次任務(wù)之初，由于體積問題遇到設(shè)計瓶頸，工藝人員立即在工藝組內(nèi)展開“頭腦風(fēng)暴”，經(jīng)過幾番論證，摒棄以往的工藝設(shè)計思路，打破常規(guī)，同時結(jié)合豐富的工藝加工經(jīng)驗，進行了一系列設(shè)計改進。在充分滿足性能、強度等指標(biāo)要求的同時，產(chǎn)品質(zhì)量降低了約200多克。

在傳統(tǒng)齒輪加工工藝?yán)锩?，機床上的刀具“走”完一圈，將齒輪加工完畢之后產(chǎn)品即轉(zhuǎn)入下一個環(huán)節(jié)進行生產(chǎn)，但是由于刀具在切削工件的時候會有一定的磨損，進而導(dǎo)致產(chǎn)品每一個齒輪之間會有微小的運動誤差，這種誤差在一般情況下并不會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。但此次嫦娥三號的諧波減速器的電機功率過小，會有一定幾率出現(xiàn)齒輪的卡滯，甚至卡死現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)問題，將對任務(wù)產(chǎn)生巨大影響。技術(shù)人員和加工的技師通過改進工藝保證了質(zhì)量。

諧波減速器共由數(shù)十個零件組成，嫦娥三號對零件的要求非常高，同軸度、尺寸精度、位置精度，每一個零件都幾乎是超精密的級別，為了保證這個幾乎為零的誤差，技術(shù)人員幾乎完全就是按照零誤差來進行零件選配。

航天精工股份有限公司是中國航天科工集團公司（簡稱“航天精工”）直接管理的集高、中端緊固件研發(fā)、制造和檢測為一體的高新技術(shù)企業(yè)。憑借強大的新產(chǎn)品研發(fā)能力和質(zhì)量保證能力，航天精工為嫦娥三號配套了大量的鈦合金螺栓、螺釘、鉚釘?shù)雀咝阅芫o固件。這些高性能緊固件在嫦娥三號中連結(jié)構(gòu)、進系統(tǒng)，為登月任務(wù)的圓滿成功提供了可靠的質(zhì)量保障。

讓著陸器的“眼睛”“看得更真”

嫦娥三號著陸器在落月點“虹灣”著陸后，將在頂部彈出一個桅桿，桅桿上有它的“眼睛”——地形地貌相機組件，航天科工研制的光學(xué)鏡頭組件是地形地貌相機組件的最重要構(gòu)成，主要任務(wù)是清晰拍攝“廣寒宮”外形的動態(tài)和靜態(tài)照片，并時刻關(guān)注“月球車”的運行狀況。

地形地貌相機是我國首臺在月球上拍攝彩色圖像的“彩色相機”。當(dāng)“深情對望”的嫦娥三號著陸器和“玉兔”號月球車，互拍下置于身上的五星紅旗時，中國向世界宣告——圓滿完成嫦娥三號任務(wù)，凝聚數(shù)億中華兒女期待的“探月夢”又向前推進扎實一步。

適應(yīng)宇宙空間輻射和月表極冷極熱的真空環(huán)境，是嫦娥三號必須面臨的考驗，也是這雙“眼睛”看得見的前提。如果措施不當(dāng)，宇宙空間輻照會導(dǎo)致鏡頭透過率嚴(yán)重下降，進而致使地形地貌相機無法正常工作。研制團隊在光學(xué)鏡頭上采用了耐輻照環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)，為相機穿上了“防輻射服”。

月球表面溫度變化劇烈，鏡頭需要承受-100℃到100℃的溫度沖擊，鏡頭需要在-35℃～65℃溫度范圍內(nèi)的真空熱環(huán)境下正常工作。為此，研制團隊通過先進的設(shè)計方法，給它打了“免疫疫苗”，確保鏡頭適應(yīng)月球的特殊環(huán)境。

嫦娥三號月球探測器，包括著陸器和巡視器，是我國研制的首次在外天體實施軟著陸的航天器

衛(wèi)星測控中心人員使用計算機進行操控

如何在月球上拍攝出“真顏色”的彩色照片，是擺在設(shè)計人員面前的一大難題。經(jīng)過反復(fù)思考、計算和試驗，研制團隊攻克了技術(shù)難關(guān)，給鏡頭戴上了一個“頭盔”——遮光罩，阻攔了外界雜散光。在此基礎(chǔ)上，將“戴”在鏡頭前端的“有色眼鏡”挪到了鏡頭里面，在消除顏色差異（偏紅或偏藍）的同時避免了鬼像（鬼像即非預(yù)期影像）的產(chǎn)生。

為了避免月塵污染的影響，確保高質(zhì)量清晰成像，設(shè)計人員采用先進技術(shù)，給光學(xué)鏡頭上安裝了一個“屏蔽網(wǎng)”，將落在鏡頭表面的月塵影響屏蔽掉。

讓“玉兔”月球車“走動起來”

在離開著陸器的“懷抱”后，月球車會“迫不及待”地開展月面探測工作，如何讓它靈活地“走起來”，順利完成避障、越障、爬坡等精彩動作，是本次嫦娥任務(wù)的一個關(guān)鍵。為此，航天科工061基地為其“量身定制”了兩種無刷直流電機，一種用于月球車移動分系統(tǒng)車輪驅(qū)動，讓月球車順暢“走起來”的6個驅(qū)動電機和4個轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機；另一種用于月球車機械臂分系統(tǒng)關(guān)節(jié)驅(qū)動，讓機械臂靈活“動起來”。

兩種驅(qū)動電機經(jīng)過各種嚴(yán)格苛刻試驗的“千錘百煉”，技術(shù)指標(biāo)完全達到航天標(biāo)準(zhǔn)并填補了國內(nèi)空白，確保了月球車各項探測、觀測試驗任務(wù)的順利開展，樹立我國深空探測極端環(huán)境微特電機研發(fā)的里程碑。

061基地作為我國航天電機最大的生產(chǎn)單位，具有歷次載人航天微特電機配套研制基礎(chǔ)和衛(wèi)星用微特電機的研究基礎(chǔ)。但在接到嫦娥三號月球車配套研制任務(wù)時，面對近乎苛刻的技術(shù)指標(biāo)和極其嚴(yán)酷的工作環(huán)境，仍感到任務(wù)十分艱巨。在無任何技術(shù)基礎(chǔ)前提下，研制團隊查閱了上千頁國內(nèi)外技術(shù)資料，進行了數(shù)百次計算、分析和數(shù)十次工藝攻關(guān)驗證，終于固化了技術(shù)狀態(tài)，達到了國內(nèi)類似體積無刷直流電動機的最高技術(shù)指標(biāo)；為有效解決這兩種驅(qū)動電機能在超低溫、大溫差、極端真空條件下的“生存”問題并確保高可靠性，他們展開了一系列技術(shù)攻關(guān)，最終通過技術(shù)鑒定，并達到了國際水平。

隨著我國探月工程不斷推進，后續(xù)試驗任務(wù)對所使用的電動機提出了壽命更長、可靠性更高、電磁兼容更好以及長時間極端環(huán)境和小型化等更嚴(yán)格的要求。面對新任務(wù)、新挑戰(zhàn)，研發(fā)人員將在前期探月工程配套研制所積累的技術(shù)基礎(chǔ)上，不斷識別新的關(guān)鍵技術(shù)，提前部署技術(shù)攻關(guān)，開展“探月”電機特殊技術(shù)預(yù)先研究，提高產(chǎn)品技術(shù)成熟度，努力為后續(xù)型號提供更好的技術(shù)支持和可靠的技術(shù)保障，為我國探月工程作出新的更大的貢獻！

讓嫦娥“看得見”鏡頭組件研制團隊工作場景

著陸器和月球車互拍的照片

著陸器地形地貌相機拍攝的“玉兔”號月球車，她將遠行并開展月面測試工作

助力嫦娥三號的“隱形翅膀”

嫦娥三號探月任務(wù)中，由中國航天科工二院自主研制的五種聲表面波器件，為嫦娥三號濾除無用信息干擾，確保其與地面中心保持順暢通信、將月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造等科學(xué)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)傳送到地面。

聲表面波器件是航天器上各分系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，探月工程所用的聲表面波器件要求有良好的性能參數(shù)、高穩(wěn)定、高可靠性，同時要體積小、功耗低、靈敏度高。參與這次任務(wù)的五種聲表面波器件，分別應(yīng)用在衛(wèi)星的捕獲、測控、應(yīng)答機等分系統(tǒng)中，起到濾除雜波信號、干擾信號、鏡像信息的作用，高效改善信號頻譜特性，提高整機靈敏度、穩(wěn)定度，保障探月工程各分系統(tǒng)信號接收、處理的有效進行，為嫦娥三號接受指令完成各項任務(wù)掃除了障礙。

負責(zé)研制五種聲表面波器件的航天科工二院為星用型號配套20余年，是航天器用聲表面波器件標(biāo)準(zhǔn)的主體起草單位，承擔(dān)了我國90%以上的星用聲表面波器件研制生產(chǎn)任務(wù)，具備完整的航天器用聲表面波器件的研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗條件。

當(dāng)嫦娥三號月球車漫步在美麗的月宮，把她的奇妙見聞與地球人“分享”時，你可曾知道，在她長袖善舞背后有個功不可沒的 “人”——軟件“健康體檢師”。

這個軟件“健康體檢師”是由中國航天科工三院軟件評測中心承擔(dān)。作為探月工程軟件測試機構(gòu)之一，發(fā)射之前，要為嫦娥三號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)和探測器有效載荷分系統(tǒng)提供了全方位的體檢服務(wù)。

“健康體檢師”所承擔(dān)的工作有：出規(guī)范，編制“軟件體檢說明書”。軟件質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到探月工程的成敗。為規(guī)范探月軟件測試標(biāo)準(zhǔn)和流程，“體檢師”團隊通過引進、消化、吸收和創(chuàng)新等一系列“化學(xué)”反應(yīng)，創(chuàng)新性地編制了探月工程軟件評審實施細則，并編制出國內(nèi)第一份有關(guān)可編程邏輯器件軟件研制方面的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，不僅保證了“體檢說明書”與國際、國內(nèi)先進技術(shù)水平的順利接軌，更填補了探月工程等國家大型工程在可編程邏輯器件軟件管理和技術(shù)要求方面的空白。

相關(guān)鏈接

小小閥門維系安全

嫦娥三號由各種復(fù)雜系統(tǒng)和無數(shù)個特殊復(fù)雜的精密零部件組成，其中由中國航天科工所屬河南航天液壓氣動技術(shù)有限公司研發(fā)的“雙向高壓自鎖閥”發(fā)揮著極為關(guān)鍵的保障作用。

閥門雖小，但作用不小?！半p向高壓自鎖閥”是利用電控指令控制閥門通過高壓氣體實現(xiàn)探測器執(zhí)行動作的特殊關(guān)鍵執(zhí)行元件，別看這個小小的閥門卻維系著嫦娥三號的安全。為了確保閥門的特殊性能要求，研發(fā)團隊不僅要做復(fù)雜的計算機仿真計算，還要測試各種變化因素對閥門安全性可靠性的影響，前后確定了10余種加工方案，做出了20余套工裝夾具，最終找出了合適的工藝方法，保證了零件的尺寸，有效控制了變形量。

打造穩(wěn)定跳動的“心臟”

正如人需要一顆健康的心臟，嫦娥三號也是如此。航天科工研制的高精度、高可靠性的晶體元器件，肩負著為嫦娥三號打造穩(wěn)定跳動的“心臟”的任務(wù)。晶體元器件為嫦娥三號提供的時頻核心，產(chǎn)生如同人體脈搏一樣的穩(wěn)定頻率信號并輸送到電子系統(tǒng)各部分，指揮他們按照預(yù)先的設(shè)計準(zhǔn)確運行。

精雕細琢一詞用在晶體元器件的加工過程中一點都不為過。每一個合格的晶體元器件，其原料石英振子需在20倍、50倍、200倍顯微鏡下“過關(guān)斬將”，其加工環(huán)境更是要求苛刻：高潔凈度的超凈廠房，至少經(jīng)歷3次的超聲波或等離子清洗，連封裝都需要高真空環(huán)境。

為保證此次保障任務(wù)的圓滿成功，研制團隊根據(jù)嫦娥三號配套任務(wù)的要求，成功攻克了晶體元器件頻率老化等問題，保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠，有力地保障了發(fā)射、落月、月面巡視三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的順利進行，為探月工程的圓滿完成，作出了不可替代的重要貢獻。

（王若影、李潔、黃玉龍、張秋艷、李濤、黃忠魁 、唐新培、郭玉勝、黃忠魁、劉遠航、胡雅、馬思宇、趙柯舒、張冰芹、孫毅、黃遠志、徐英淑、段斌、王文超、王穎、王棟等來自中國航天科工集團公司各單位的通訊員為本文提供大量素材，特此鳴謝?。?/p>