解析：怎样在月球轨道“交货”

文 / 赵聪

交会对接，顾名思义，轨返组合体和上升器，要先进行交会，待距离为0时，再进行对接。整个过程可看作一次送货，先引导“两人”接头，再完成货品交接。

第一阶段

引路：最初，轨返组合体和上升器相距甚远，要想实现对接，首先得找到对方。这就需要彼此建立联系，告知对方位置。在引导下，轨返组合体加速去寻找上升器，两者顺利接上头。

交会段分为远程导引段和近程自主控制段。

从上升器进入交会对接初始轨道，到上升器位于轨返组合体前方约50公里、上方10公里左右的位置，为远程导引段，时长约51个小时。

从上升器位于轨返组合体前方约50公里、上方10公里左右的位置，到上升器开始被轨道器的对接机构捕获，为近程自主控制段，时长不超过3.5个小时。在该阶段，上升器与轨返组合体的距离从50公里到5公里、1公里，再到100米，直到两器距离为0。

▲ 引路

▲ 接头

技术难点：在远程导引段，需要对嫦娥五号轨返组合体和上升器的飞行状态进行跟踪、测量和控制。北京航天飞行控制中心副主任贺军介绍，这对深空测控提出两个挑战，一是测控的精度要求更高，必须做到“精测妙控”；二是将重要动作安排在月球正面进行，避免信号遮挡。

探月三期工程中建立起来的深空测控网发挥了重要作用。为了成功实施嫦娥五号任务，我国在最西边的新疆喀什深空站建设了4座35米口径测控天线，在东北地区的黑龙江佳木斯深空站建设了66米口径全可动测控天线，在南美洲国家阿根廷的萨帕拉深空站建设了35米口径测控天线。

2020年12月6日凌晨，交会对接时，北京航天飞行控制中心的现场不断传来这些地区的测控数据。它们为嫦娥五号顺利完成交会对接发挥了重要作用。

交会对接时，距离越近，地面深空测控网的支持难度就越大。为此，嫦娥五号应用了多个“黑科技”测控仪器，确保轨返组合体和上升器在近程交会时，可以独立自主地进行导航。

王琼介绍，“黑科技”测控仪器主要包括交会对接光学成像敏感器、激光雷达和微波雷达。3种仪器可通过光学、激光和微波3种测量手段互相配合，智能自主地给轨返组合体和上升器“引路”。

第二阶段

接头：距离为0时，轨返组合体和上升器就正式面对面了。双方握手、互认，完成对接。

从轨道器的对接机构捕获上升器，到12月6日5时42分两器对接完成，时长不超过5分钟。

技术难点：嫦娥五号任务开始论证时，科研人员曾想过沿用载人航天使用的对撞式对接机构（学名：异体同构周边式对接机构）。该机构在对接后可形成一个80厘米左右的通道，方便航天员在其中穿行。

但考虑到嫦娥五号轨返组合体和上升器重量悬殊，前者比后者重很多，对撞过去，轨返组合体可能会把上升器撞飞。因此，在嫦娥五号对接方式上，科研人员转变了思路。

来自航天科技集团的嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍，嫦娥五号采用了抱爪式对接机构。对接机构分为主动件和被动件两部分，主动件安装在轨道器上，主要是3套“K”形抱爪，被动件安装在上升器上，主要是3根连杆。

抱爪式捕获就像用手握棍。捕获时，3套“K”形抱爪——好比6根手指两两组合，形成3对爪——只要对准连接面上的3根连杆，抱爪一一收紧，就可以让两器牢牢抱紧。

“对接全步骤要在21秒内完成，1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为此我们做了35项故障预案，从启动开始到交会对接，全部采用自动控制。”嫦娥五号对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲说。

第三阶段

交货：对接完成后，轨返组合体和上升器开始“交接”月球样品。

12月6日6时12分，上升器将装有月球样品的“罐子”成功转移到了轨返组合体中的返回器上，样品转移过程持续30分钟。

▲ 交货

12月6日12时35分，完成样品转移使命的轨返组合体和上升器成功分离。随后，轨返组合体进入环月等待阶段，择机返回地球。

技术难点：轨道器和上升器对接完成后，还要进行一个重要动作，就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。

“连杆棘爪式转移机构，采用了一个非常巧妙的设计。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍，轨道器上的转移机构上有两套倒三角形棘爪，装有月球样品的容器上有棘齿。棘爪卡住棘齿，通过4次伸缩，使得容器逐渐移动到返回器中。这个构型很像我们经常使用的扎带，相连后就只能单方向传递，并且只能前进不能后退。

在地面，研制团队先后进行了超过1000次样品转移测试，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程万无一失。

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为什么要在月球轨道“交接”

中国实施嫦娥五号任务之前，围绕月球采样返回的路径，20世纪的人类给出了两种答案。一种是美国模式，航天器在月球轨道上进行交会对接，航天员带着月球样品一起转移，然后再返回地球；一种是苏联模式，航天器从月面起飞，跳过交会对接和样品转移环节，直接飞回地球。两者相比，苏联模式的技术难度更小。

如今，我国通过嫦娥五号任务首次采集月球样品，在返回时，选择了先在距离地球38万公里的月球轨道实施交会对接和样品转移，再返回地球。这也是人类首次实施月球轨道的无人交会对接和样品转移。

为什么选择了技术难度更大的方式？国家航天局探月与航天工程中心三期部副部长王琼说：“（这样做）一是因为采用月球轨道交会对接的方式，可以提高月球样品的采样量；另一个原因是为将来载人登月等后续任务做技术铺垫。”

在苏联3次月球采样任务中，采样量最大的是月球24号任务。它采用月面起飞直接返回方案，上升器需要携带返回舱以及推进舱，从月球经长途跋涉回到地球。而嫦娥五号任务中，上升器只需携带样品到达月球轨道即可，那里有货运量更大的“专车”接送。显然，两者相比，经过月球轨道交会对接和样品转移，我们可以带回更多的月球样品。

中国探月工程总设计师吴伟仁介绍，早在10年前，我国论证嫦娥五号任务方案时，就确定了包括月球轨道交会对接和样品转移阶段的方案。“实际上，如果只是为了完成采样返回任务，嫦娥五号系统可以做得简单很多。但考虑到未来的载人登月需求，我们确定了目前的方案，目的在于进行更多的技术验证。”吴伟仁接受记者采访时说。