我国首次实现月球轨道交会对接，嫦娥五号完成在轨样品转移
38万公里之外的亲密“牵手”(科技自立自强·逐梦深空)
本报记者 余建斌 冯 华
《 人民日报 》( 2020年12月07日 第 12 版)
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12月6日凌晨，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并将样品容器安全转移至返回器中。
这是我国首次实现月球轨道交会对接，也是人类首次在月球轨道进行无人交会对接。按计划，嫦娥五号将于12月中下旬返回地球。
肩负从月球取样返回使命的嫦娥五号探测器，再次顺利迈过重要关口。12月6日5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接，也是人类首次在月球轨道进行无人交会对接。
月轨交会对接有多难
像浩瀚太空中的“穿针引线”
据国家航天局探月与航天工程中心副主任、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇介绍，嫦娥五号上升器从月球表面成功起飞后，进入交会对接初始轨道，随之在地面测控系统远程导引下，到达轨返组合体的前方、上方预定位置。随后，轨返组合体自主实施近程导引，靠拢上升器，用抱爪方式与上升器完成月球轨道交会对接，并最终完成在轨样品转移。
两个航天器在空间的交会对接，好比是浩瀚太空中的“穿针引线”。我国航天器的近地轨道交会对接由“神舟”和“天宫”进行过多次，但在月球轨道上还是第一次。
专家指出，此次交会对接在距离地球38万公里之外的月球轨道，必须在规定时间内完成，若时间太长，则星上能源、热控将无法支撑。加上月球轨道每圈有1/3的时间位于月球背面，没有测控信号，以及月球上空没有卫星导航星座为飞行器导航，要精确预测两个航天器在月球轨道上飞行的位置和速度，达到交会对接所需的精度，对地面测控系统和导航控制技术都提出了很高要求。如果一次不成功，重新进行交会对接需要2到3天来组织，有很大风险错过月地转移的返程窗口。
进入交会对接过程的近程自主控制阶段，地面人员只能“观棋不语”。由于月球轨道的交会对接精度要求是厘米级，地月之间的距离过于遥远，因此这一阶段的交会和对接过程将由航天器上的制导导航与控制系统智能自主完成，技术难度很大。
在近程自主控制段，制导导航与控制系统实时调整轨道和姿态，在微波雷达、激光雷达和交会对接相机的接力保障下，轨返组合体一步步追上上升器，直到可以“牵手”的距离，之后双方保持相同速度飞行。
“与近地轨道相比，月轨环境更复杂，所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。”中国航天科工二院25所交会对接微波雷达总工程师孙武介绍，我国航天器在近地轨道进行过多次交会对接，都成功应用了微波雷达。这次为了引导首次月球轨道无人交会对接，又专门研制了嫦娥五号交会对接微波雷达。
当轨返组合体、上升器相距约100公里时，微波雷达已开始工作，不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数，并进行双向通信，两航天器根据雷达提供信号调整飞行姿态，直至轨道器上的对接机构捕获并锁定上升器。
怎样确保“牵手”成功
首创抱爪机构的设计理念
在月球轨道上，轨返组合体重达2.3吨左右，怎样顺利和重量400公斤左右的上升器在交会后紧紧“牵手”？
中国航天科技集团的专家介绍，和我国已掌握的地球轨道交会对接采用的小星追大星、弱撞击的方式实现对接不同，嫦娥五号轨返组合体追上升器属于大星追小星，用撞击的方式对接可能会把上升器撞飞。所以，嫦娥五号采用的停控加抓取的方式，就是在轨返组合体追上上升器并以相同速度飞行过程中，从后面“伸手”牵过上升器之后拉紧，实现对接。这个过程中，轨返组合体稍有不慎就会将身姿轻盈的上升器撞飞。这需要轨返组合体对于速度、位置和微重力环境、热环境都有极为细致的把握，用极高的控制精度来保证任务完成。
为了紧密“牵手”，轨返组合体身上安装了3个对接机构主动件，也就是“抱爪”，在运动过程中完全贴近上升器，并将上升器拉入怀中，完成“抱紧式”交会对接。
“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构，通过增加连杆棘爪式转移机构，实现了对接与自动转移功能的一体化，这些设计理念都算是首创。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花说。
“所谓的抱爪，就像我们手握棍子的动作，两个方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇说，探测器采用的对接机构就是由3套抱爪构成，当上升器靠近时，只要对准连接面上的3根连杆，将抱爪收紧，就可以实现两器的紧密连接。
轨返组合体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，并稳稳固定在样品舱。
在载人航天飞行任务中，当神舟飞船和天宫实验室对接后，有足够的通道空间供航天员穿舱而过。月球样品虽小，但转移的通道和进入的容器也十分狭小。如此小的一个动作，在过去人类航天历史上并没有出现过。
捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外高速运行的航天器上实现并不简单。对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲说，光是故障预案就做了35项。
交会对接后干什么
采取半弹道跳跃式办法返回
12月6日12时35分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。按计划，嫦娥五号将于12月中下旬返回地球。
在我国历次探月任务中，有过航天器在月球轨道上长期飞行，或是最后完全脱离月球引力场去更远的星际空间。从月球轨道上回到地球则是第一次。
专家指出，精确设计返回轨道是嫦娥五号返回器顺利着陆在内蒙古四子王旗预定着陆点的关键保障。而对担负搜寻回收嫦娥五号返回器任务的地面测控与回收系统来说，为了始终能“看见”航天器和月球，也要通过深空测控站、中继卫星和大洋上的航天测量船，实现全天候对嫦娥五号的关注。
当嫦娥五号轨道器携返回器由月球向地球呼啸而来，在接近地球大约5000公里高度时会将返回器释放出来。随后返回器将独自以每秒约11公里的第二宇宙速度返回地球，比从近地轨道返回地面的神舟载人飞船返回舱要快得多。
为了解决减速难题，科技人员设计了半弹道跳跃式返回的办法。当返回器进入地球大气层后，经过减速，将再次跳出大气层，随后再进行第二次进入大气层。通过这种方式，进入地球大气层的返回器速度就将从十几公里每秒降低到七点几公里每秒，从而达到安全降落地面的目的。