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【聚焦嫦五】二院25所微波雷达圆满保障月球轨道交会对接

发布时间:2020-12-06    【来源:二院25所】

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

金沙总站25所

研制的交会对接微波雷达

表现完美

助力嫦娥五号实现“太空牵手”

嫦娥五号月球采样返回,是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最高的任务。嫦娥五号交会对接微波雷达作为月球轨道中远距离探测的唯一手段,成功引导探测器实现首次月球轨道无人交会对接。该对接技术是嫦娥五号任务中“四大关键技术”之一,更是中国首次、乃至人类首次的技术创新。

此次关键任务的核心产品——交会对接微波雷达,在全世界的目光中,首先捕获、稳定跟踪、精确测量、可靠通信,表现完美。


嫦娥五号交会对接示意图

看得清 更精准

嫦娥五号交会对接微波雷达是一组成对产品,由雷达主机和应答机组成,分别安装在嫦娥五号探测器的轨道器和上升器上。当轨道器、上升器相距约100km时,微波雷达开始工作,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,并进行双向空空通信,两个航天器根据雷达提供的信号调整飞行姿态,直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。随后,上升器中的月壤样品和容器转移。


雷达主机和应答机安装位置示意图

交会对接微波雷达总工程师孙武先容,此前的载人航天工程任务中,我国航天器在近地轨道进行过多次交会对接,都应用了25所的微波雷达,五战五捷的表现足以证明,我国已经成功掌握交会对接技术。但不同的是,这次是在距离38万公里之外的月球轨道,难度更大。

“与近地轨道相比,月球轨道中,微波通信是中远距离通信的唯一手段。月轨环境更复杂,要克服月球引力影响,所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。为此,微波雷达团队攻克了相位干涉仪测角、大宽角度测量等关键技术。”孙武重点强调了微波雷达产品应对月球轨道环境的新变化。

其中对于大宽角度的精确测量,孙武带领团队着实下了一番大功夫。

因嫦娥五号的轨道器和上升器交会对接,是体量相差巨大的“大追小”复杂受力过程,采用了抱爪式的弱撞击对接机构。对接要体现“手拉手”,需要微波雷达的测角精度更高。


抱爪式对接机构示意图

“大家采用了创新的误差补偿算法,将微波雷达的测角精度提升了50%。” 微波雷达项目主任设计师贺中琴先容说,微波雷达主要作用在100公里到20米的中远程范围,精度的提高使两个航天器在距离20米时,上升器对接机构抱爪的锁定圆面,缩小了几个厘米,大幅提升了精准对接的胜算。

此外,装有对接用应答机的上升器在落月时难免形成扬尘,这些肉眼不可见的月尘干扰将会降低测角精度。


应答机防尘罩示意图

为确保安全度过月球之旅,应答机上安装了特殊材料的防尘罩,“就像给‘千里眼’戴上了‘护目镜’,‘嫦娥’的这双‘千里眼’,就不会变成‘近视眼’,甚至‘全盲’了。”青年设计师纪博已经是第二次参与交会对接任务,说起自己的产品,她自豪与兴奋地打起了比方。

会说话 更可靠

孙武说,“大家为这次交会对接打造的,不仅是‘千里眼’,还是‘顺风耳’,应用了测量通信一体化技术升级后的它,更小巧、更强大、更可靠。”

微波雷达在保证交会对接测量“本职工作”的同时,升级了航天器之间双向空空通信的“第二职业”,从雷达与应答机之间“一问一答”的传输方式,升级至轨道器与上升器之间的“沟通对话”,实现了遥控指令和遥测参数的双向传输。

“以前就像老师上课点名,雷达发消息,应答机答‘到’。而现在它们不仅自己要通话,还要负责上升器和轨道器之间的信息传递。”贺中琴说。


双向通信示意图

同时,在此前“天舟”“天宫”交会对接微波雷达已经实现减重一半的基础上,这次再进一步开展了轻量化的改进,将产品重量又减轻了4.4公斤。

“这相当于月壤采样重量的2倍,哪怕一克的重量减轻,对月壤采样任务的意义,都是巨大的。”孙武感慨。

此次微波雷达在首次地外天体轨道对接过程中的完美表现,与之前载人航天工程的那五次任务一样,毫无差错、毫无隐患、毫无悬念。这也是孙武团队对产品质量“零缺陷”的坚持,对“一次成功”的诠释。

每一步的成长记录、每一帧的拍照留存,实现了百分百的过程可追溯;反复的测试迭代和全覆盖的试验验证,确保产品功能、性能的方方面面万无一失。“这没有捷径,‘固化两头,严控过程’是最有效的办法。”孙武说,“任务不完成,‘双想’不停止。只要一天还没发射,大家就要不断‘预想’、仔细‘回想’。”

“经过七项单机试验、三项分系统试验和五项系统试验的充分验证,大家和它都做好了充分的准备。”临近实行任务的那段日子,贺中琴很是兴奋,她透露,“针对月球轨道的特殊应用,与前几次相比增加了抗月尘试验、抗干扰试验和交会对接无线兼容试验验证,它的表现很好。”对贺中琴来说,微波雷达就像自己的孩子,出征前,她充满了信心,也充满了期待。

“绝不把任何一点疑惑、缺陷带上太空”,这才是零缺陷的可靠产品。

25所交会对接微波雷达在月球轨道的完美表现,见证了我国首次在地外天体实现无人交会对接技术。正如孙武所说,“大家已整装待发,向月球进发!向更遥远的深空进发!向更广阔的领域进发!”


太空之吻“五战五捷”



2011年11月3日  神舟八号与天宫一号交会对接
二院25所研制的微波雷达完美助力“神舟八号”与“天宫一号”首次自动空间交会对接,圆满实现了“首先捕获、稳定跟踪、精确测量”的目标。


2012年6月18日  神舟九号与天宫一号交会对接
在我国首次载人交会对接试验任务中,微波雷达以优于前一次任务的成绩,再让“太空之吻”画面完美定格。神舟九号载人飞船搭载航天员,与天宫一号完成了中国首次手动交会对接。


2013年6月13日  神舟十号与天宫一号交会对接
交会对接微波雷达助力航天员再次完成手动交会对接,交会对接功能得到进一步验证和考验。


2016年10月19日 神舟十一号与天宫二号交会对接
交会对接微波雷达精准导引神舟十一号飞船向天宫二号靠近,最终实现交会对接。参与此次任务的交会对接微波雷达系统包括搭载在神舟十一号飞船上的微波雷达和天宫二号空间实验室上的微波应答机。


2017年4月22日  天舟一号与天宫二号交会对接
微波雷达第五次精准导引“天舟一号”货运飞船和“天宫二号”空间实验室首次对接成功,这是微波雷达升级换代后的第二代产品再次护航。

(文/王云燕、贺中琴)

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