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(wù)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(wù)目標，意義重大。

此次任務(wù)過程中一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)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’。”那時剛剛接替孫家棟擔任中國探月工程總設(shè)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(lǐng)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(lǐng)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(wù)，嫦娥五號可以設(shè)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。”吳偉仁說。

2011年，嫦娥五號正式立項，任務(wù)是實現(xiàn)無人采樣返回。在這個國家重大科技專項任務(wù)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(shè)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(shè)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(lǐng)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(shè)計。

“通常情況下，型號研制走的多是V形路線。總體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(shè)計直至系統(tǒng)設(shè)計。嫦娥五號走了個W形，先做一個系統(tǒng)的方案設(shè)計，然后分系統(tǒng)方案設(shè)計、單機方案設(shè)計證明方案可行性后，再走V形路線。”探測器系統(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(wù)，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(chǔ)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(lǐng)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(shè)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(shè)計是貫穿始終的主題。”探測器副總設(shè)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(shè)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(yīng)用仿生學原理，設(shè)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(shè)計師、六院型號總師洪鑫帶領(lǐng)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(shè)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(shè)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(shè)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。”

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(wù)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(shè)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(shè)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(wù)跨度太大，應(yīng)該增加一次飛行驗證任務(wù)。因此，嫦娥五號任務(wù)有了一次真實的太空試驗。

根據(jù)設(shè)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(shè)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(yīng)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玫暮喴滓鹿瘢扛粢欢螘r間，我們會將嫦娥五號的設(shè)備取出來進行測試，確定其狀態(tài)良好。”總體主任設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計師舒燕對此感受深刻。她介紹，設(shè)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(shè)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(lǐng)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。★