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嫦娥五号探测器成功发射背后的科技难点 - 蓝海大脑助力航天探月工程

发表于 2020-11-25 17:14发布者:蓝海云 评论:0浏览:354
嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地入射、地球大气高速再入返回等六个关键环节。

2020年11月24日4时30分在文昌航天发射场长征五号遥五运载火箭将嫦娥五号探测器成功发射。火箭飞行约2200秒后顺利将探测器送入预定轨道。这是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战, 实现我国首次月球无人采样返回任务,举世瞩目。



嫦娥五号探测器任务技术难点主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地入射、地球大气高速再入返回等六个关键环节。


1 轨道设计复杂

嫦娥五号探测器飞行阶段多,各阶段轨道方案耦合紧密,轨道设计受到测控、运载和着陆场的限制,约束条件多,各飞行阶段轨道在控制和测定轨精度能力有限的情况下,匹配精度要求高;飞行过程还涉及月球轨道交会对接、月地转移等新的飞行阶段,飞行过程复杂,轨道设计难度大;同时,轨道设计结果对采样点选择及热控、供配电等分系统的方案设计有直接的影响。在标称轨道设计方案的同时,还需要在推进剂资源受限的情况下,制定各种故障预案,对轨道设计是一个全新的挑战。

2 月面采样封装技术新

采样封装是嫦娥五号月球无人采样返回任务的核心环节之一。月面采样封装任务采用表钻结合、多点采样的方式,采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束;采样期间面临月面高温的工作环境;同时采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。

3 月面起飞上升验证难

上升器基于着陆平台的月面起飞需解决月面起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异带来的验证技术难度大等问题。由上升器、着陆器和月面构成的月面起飞系统,其初始状态源自着陆上升组合体着陆月面的场平条件、着陆的姿态和方位等条件,月面起飞初始条件无法像运载火箭、导弹一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认,而必须依靠自主定位定姿方法确定起飞的初始状态。面对技术难题,需要明确起飞稳定性的各项因素及其耦合的影响,依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨。与常规的航天器面临的羽流影响不同,起飞上升发动机在受限空间点火引起的复杂边界条件下羽流力热效应问题突出,需要通过大量的地面仿真和试验对其开展验证。月面环境的特殊性,低重力、高真空等环境模拟使得地面验证较为困难。

4 月球轨道交会对接与样品转移自主要求高

与近地轨道交会对接不同,嫦娥五号交会对接无卫星导航信号支持,对接和样品转移过程自主性要求高。需要在考虑探测器的测控、光照条件、姿轨控、电源、热控等各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计;同时,月球交会对接过程中,地面测控支持能力受限,受到对接机构大小的限制,对接精度的要求较高。交会对接飞行过程阶段划分、近距离高精度相对位姿控制和相对测量敏感器的轻小型化设计是月球轨道交会对接GNC的技术难点;嫦娥五号探测器的对接机构与样品转移机构采用弱撞击式对接机构,机构中必须同时考虑样品转移装置的设计,保证对接精度满足样品转移的相关要求。对接机构与样品转移机构一体化设计是对接机构与样品转移技术研究中的难点。

5 月地入射精度要求高

月地入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨返组合体进入月地转移轨道,由于月地关系的不断变化,月地入射窗口及入射点位置均受到严格约束,为理论上的零窗口;同时,月地入射的精度在一定程度上决定了返回器再入点精度,影响返回器的安全着陆,控制精度要求高。

6 地球大气高速再入返回速度高

嫦娥五号任务中,最终携带样品以接近第二宇宙速度返回地球的返回器对任务的成败至关重要。嫦娥五号探测器再入返回设计继承了飞行试验器的设计,任务的再入航程与飞行试验器基本一致。但装有月壤的样品容器重量有一定的不确定性,有可能影响返回器的质量特性,对返回器GNC控制的健壮性提出了较高的要求。

嫦娥五号关键节点历史回顾:

2011年1月 国务院正式批复立项,嫦娥五号探测器启动研制工作

2012年12月 完成嫦娥五号探测器系统方案阶段研制总结评审,转入初样研制阶段

2015年12月 完成嫦娥五号探测器系统初样研制总结及正样设计评审,转入正样研制阶段

2020年7月 嫦娥五号探测器空运抵达发射场,此后开展了将近5个月的发射场工作

2020年11月24日 嫦娥五号探测器一飞冲天,发射取得圆满成功。


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