嫦娥五號：大器十年始鑄成

文/ 索阿娣

作為我國迄今為止系統(tǒng)最復雜、技術(shù)難度最大的航天工程，嫦娥五號任務將突破月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、地球大氣高速再入等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)探月工程“繞、落、回”三步走任務目標，意義重大。

此次任務過程中一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的應用和實踐，將為我國后續(xù)深空探測技術(shù)的發(fā)展積累和沉淀出寶貴經(jīng)驗。

肇 始

早在2009年，那時的中國嫦娥工程剛剛實現(xiàn)了“繞”月，志在無人采樣返回的嫦娥五號探測器的相關(guān)論證工作就開始了。

“整個工程的指導思想非常明確。雖然過去了10多年，但我仍然記得很清楚，叫‘技術(shù)先進，經(jīng)濟可承受，體現(xiàn)當代水平，經(jīng)得起歷史檢驗’?！蹦菚r剛剛接替孫家棟擔任中國探月工程總設計師的航天測控通信專家吳偉仁，一上任就面臨論證難題。

在吳偉仁的帶領下，航天科技集團中國空間技術(shù)研究院的彭兢、上海航天技術(shù)研究院的張玉花等100多名專家參與到嫦娥五號早期論證中。如今，彭兢、張玉花都是嫦娥五號探測器系統(tǒng)的領軍人物。

那一年，北京很忙。張玉花記得，平均每個月都有論證會，因為專家們大多在北京，她得從上海趕過來開會。大家討論了很多種方案，對蘇聯(lián)月球計劃、美國阿波羅計劃等的不同采樣返回方式進行了細致分析。

1970年至1972年，蘇聯(lián)成功實施了3次月球無人自主采樣，共采回樣品321克。1969年至1972年，美國成功實施了6次載人登月，航天員采回樣品381千克。

什么樣的方案適合中國？采樣量定多少？是否一定要經(jīng)過月球軌道交會對接？再入返回地球時采用彈道式還是跳躍式？是否要建立中國自己的深空探測網(wǎng)？這輪頭腦風暴中，大家各抒己見、氣氛熱烈。

經(jīng)過討論，論證組最終確定了如下方案：探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，歷經(jīng)發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行、著陸下降等階段，在完成月面工作后，再經(jīng)月面上升、月球軌道交會對接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等飛行階段，攜2公斤月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗著陸。

▲ 嫦娥五號探測器組裝

“如果只是為了完成無人采樣任務，嫦娥五號可以設計得簡單很多。但考慮到后續(xù)的載人登月和深空探測，嫦娥五號選擇了一條技術(shù)集成度較高的路線，包括月面著陸、采樣封裝、地外天體起飛、返回式可控再入等?！眳莻ト收f。

2011年，嫦娥五號正式立項，任務是實現(xiàn)無人采樣返回。在這個國家重大科技專項任務中，航天科技集團承擔了運載火箭和探測器兩個核心系統(tǒng)的研制工作。因為系統(tǒng)過于復雜，探測器系統(tǒng)被分成15個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)下還設若干子系統(tǒng)。

2012年年底，完成技術(shù)攻關(guān)和方案論證工作，轉(zhuǎn)入初樣研制階段；2015年年底，完成初樣階段研制工作，轉(zhuǎn)入正樣研制階段；2017年1月，探測器具備出廠條件……立項后，中國空間技術(shù)研究院副院長楊孟飛擔任嫦娥五號探測器的總指揮、總設計師，一大批懷揣夢想的青年才俊加入了這支探月先鋒隊，開始了長達10年的奔跑。

理 念

嫦娥五號所走的技術(shù)路徑在立項后頭兩年基本就確定了。

作為一名技術(shù)型領導，楊孟飛非常注重系統(tǒng)思維。在他看來，嫦娥五號十分復雜，方案階段一定要先做系統(tǒng)設計。

“通常情況下，型號研制走的多是V形路線?？傮w將指標分解到分系統(tǒng)再到單機，單機完成以后再進行分系統(tǒng)設計直至系統(tǒng)設計。嫦娥五號走了個W形，先做一個系統(tǒng)的方案設計，然后分系統(tǒng)方案設計、單機方案設計證明方案可行性后，再走V形路線?！碧綔y器系統(tǒng)副總指揮張高透露，一開始很多人不太理解，但慢慢地意識到這是解決復雜系統(tǒng)問題的重要法寶。

讓張高印象深刻的是，楊孟飛經(jīng)常會提到“三個見底”，即方案階段，技術(shù)要見底；初樣階段，產(chǎn)品要見底；正樣階段，過程要見底。簡言之，所有的研制過程是要基于前期的方案、前期的產(chǎn)品，一定要實現(xiàn)過程受控。

▲ 工作人員在緊張地工作

遵循著這樣的思路，雖然探月工程三期是一個公認的比較復雜的任務，但嫦娥五號的關(guān)鍵節(jié)點都按計劃如期完成。張高認為，這種管理方法能夠聚焦目標，不同階段解決不同問題，可以將一些復雜問題簡單化。

作為國家重大科技專項，嫦娥五號在研制理念上特別注重重大工程的牽引作用。楊孟飛經(jīng)常對身邊的人說，我們要對得起國家的重托，要站在人類航天文明的基礎上來開展工作，要體現(xiàn)技術(shù)在未來一段時間的先進性。

他的這種思想潛移默化地影響著整個團隊。

嫦娥五號攻克的首次實現(xiàn)我國航天器在月球表面自動采樣、首次從月球表面起飛、首次在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接及樣品轉(zhuǎn)移、首次帶著月球樣品以近第二宇宙速度返回地球等技術(shù)，都是我國引領人類月球開發(fā)的里程碑事件。

研 制

“長征五號火箭立項在先。根據(jù)火箭的最大推力，嫦娥五號探測器的重量設定在8.2噸。其中，光推進劑就占到5噸多。探測器系統(tǒng)要全面瘦身，多個備份產(chǎn)品也要取消。因此，可靠的輕量化設計是貫穿始終的主題?！碧綔y器副總設計師阮劍華介紹。

對此，很多研制人員都深有體會。劉仲是上海航天技術(shù)研究院負責交會對接與樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)的主任設計師。不同于神舟飛船的交會對接系統(tǒng)，嫦娥五號在月球軌道上的交會對接系統(tǒng)僅30多公斤。在嚴格的重量約束下，上海航天技術(shù)研究院應用仿生學原理，設計了抱爪式的對接裝置和連桿式的轉(zhuǎn)移裝置，像母親的雙手一樣輕輕抓過封裝容器，實現(xiàn)月球樣品的轉(zhuǎn)移。

占據(jù)重頭分量的推進分系統(tǒng)，自然也成為減重的焦點。探測器系統(tǒng)副總設計師、六院型號總師洪鑫帶領團隊，對探測器上的發(fā)動機、貯箱、氣瓶、閥門等進行了全方位再設計。他們研制了國內(nèi)最輕的復合材料氣瓶，軌道器、著陸器和上升器3個器中有2個器采用了更輕的表面張力貯箱方案，另一個器也采用了更輕的材料來制造金屬膜片貯箱，同時對大部分發(fā)動機進行了重新設計、試驗。這些措施效果顯著，僅著陸器的4個貯箱就比最初方案減重26公斤。

這樣的例子不勝枚舉。推進分系統(tǒng)的技術(shù)要求主要由探測器副總設計師彭兢負責。由于彭兢不斷地對推進分系統(tǒng)提減重要求，洪鑫對他說：“別人是斤斤計較，你是克克計較?！?/p>

與此同時，大量的工程試驗工作也在同步進行著。如何模擬出真實的月球環(huán)境，對任務的成敗至關(guān)重要。以嫦娥五號實現(xiàn)月球軟著陸的重要機構(gòu)——著陸緩沖機構(gòu)為例，只有置身于1/6重力場，它才能找到降落月面、支撐采樣工作及上升器起飛的感覺。

2015年夏天，彭兢和同事在北京東南郊的朱莊做了3個月試驗。那里有座高110米的多維隨動塔架試驗設施，可模擬在1/6重力加速度條件下著陸器的運行情況和GNC（制導、導航與控制技術(shù)）系統(tǒng)的控制是否正確。最終，他們收獲了滿意的試驗結(jié)果。

再如，月面起飛是前所未有的一個全新環(huán)節(jié)，面臨軌道設計、起飛測控、發(fā)動機羽流導流等一系列難題。GNC系統(tǒng)在1/6重力條件下，綜合3000牛發(fā)動機、敏感器等各種產(chǎn)品性能，通過大量試驗，最終使上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面也能安全起飛。

嫦娥五號首次帶著月壤以近第二宇宙速度返回地球，風險極大。早在嫦娥五號、六號立項評估時，就有專家提出，直接執(zhí)行任務跨度太大，應該增加一次飛行驗證任務。因此，嫦娥五號任務有了一次真實的太空試驗。

根據(jù)設計，再入返回器進入大氣層后，通過飛行控制提升高度，在太空滑行一段距離后再次進入大氣層，然后在內(nèi)蒙古中部地區(qū)著陸。這種“半彈道跳躍式再入”，因原理和過程就像打水漂，因此又被形象地稱為“太空打水漂”。

2014年11月1日，再入返回飛行試驗器在內(nèi)蒙古預定區(qū)域順利著陸，試驗獲得圓滿成功。通過真實飛行，科研人員獲得了高速再入返回地球的相關(guān)軌道設計、氣動、熱防護、制導導航與控制等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。

歷經(jīng)了各種大考，2017年1月，嫦娥五號具備了出廠條件。

貯 存

然而，天有不測風云。長五遙二火箭發(fā)射失利后進入了漫長的歸零期。嫦娥五號預定發(fā)射日期一變再變，從最早計劃的2017年年底到2019年，直至2020年。

在漫長的等待時間里，嫦娥五號何去何從？一時間，隊伍也有些迷茫了。

探測器大概已經(jīng)加電測了2000多個小時了。綜合考慮后，嫦娥五號團隊決定采取充入氮氣整體貯存這樣一個方案。這種做法在先前的航天器中也有應用，但是像這樣規(guī)模的整器貯存還是第一次。

根據(jù)中國空間技術(shù)研究院的航天器貯存標準，唐家?guī)X航天城廠房里出現(xiàn)了3個為嫦娥五號量身定制的大罩子，一個放著上組合體，一個放軌道器，一個放返回器，溫度、濕度等環(huán)境指標處于完全受控狀態(tài)。

“那個大罩子是柔性的，有點像我們?nèi)粘Ｓ玫暮喴滓鹿?，每隔一段時間，我們會將嫦娥五號的設備取出來進行測試，確定其狀態(tài)良好?！笨傮w主任設計師黃昊說。

當然，不是所有的產(chǎn)品都集中在一起貯存，一些特殊產(chǎn)品則單獨貯存在各研制單位。

▲ 科研人員在監(jiān)測數(shù)據(jù)

探測器回收系統(tǒng)主任設計師榮偉介紹，508所研制的回收用降落傘自2017年包好后一直存儲在自家的產(chǎn)品庫房中。其間，為防止包裝狀態(tài)貯存時間太長影響性能，還要拆包打開，待2020年出廠前再次晾傘、重新包裝。

在產(chǎn)品貯存的日子里，大量的旁證試驗也在開展著。這是一種被證明了的科學方法。兩個環(huán)境條件一致、技術(shù)指標一致的產(chǎn)品，用其中一個的試驗結(jié)果證明另一個的性能。這種方法，讓嫦娥五號團隊對自己的產(chǎn)品始終心中有數(shù)。

“設計正確，驗證充分，過程受控”，是經(jīng)常掛在楊孟飛嘴邊的一句話。產(chǎn)品貯存之后，作為嫦娥五號的當家人，楊孟飛提出了一個“可信構(gòu)造與確認”的觀點，要求大家“知其然更要知其所以然”。他認為，一定能從科學上找到一個理論和方法，使所有的設計驗證和最終的實現(xiàn)過程能夠可信，從而實現(xiàn)航天器研制的必然成功。

為此，型號隊伍組織了多次大型交流研討會。從嫦娥五號論證開始一路干到現(xiàn)在的總體主任設計師舒燕對此感受深刻。她介紹，設計師們定期聚在一起探討如何構(gòu)造可信的模型，再去想辦法進行驗證、確認，“這種抽絲剝繭的方式逼著大家把問題想透徹，從而真正地做到可信”。

在嫦娥五號團隊流傳著一句笑談，如果誰能夠經(jīng)得住楊孟飛“七個為什么”的盤問，那就是真厲害。即便是張玉花這樣的老將也坦言，只能接住“四個為什么”。

盡管有過迷茫，但嫦娥五號這支隊伍非常穩(wěn)定，主任設計師這一層面人員基本上沒有換過。談及這一點，嫦娥團隊的領導者非常自豪。

2020年11月24日，嫦娥五號帶著使命奔向月球。掐指算來，距離立項，時間已過去整整10年?！?/p>