落下去分得开看得见走起来——中国航天科工30余项技术产品全程保障嫦娥三号任务

2014-05-16 05:30朱纪立

太空探索 2014年3期

□ 本刊特约记者朱纪立

从“飞天”到“奔月”，中国航天带给世界太多的惊喜。在这一份份沉甸甸的惊喜背后，熔炼了中国航天无数名科技人员的智慧结晶。在“嫦娥三号”任务背后，有数以万计的“螺丝钉”一直伴随着她闪耀的登月之旅，为她提供着坚强的保障。

神话中，嫦娥是吃了仙丹才飞到了月球，现实中，这枚“仙丹”就是由几代航天人铸就的航天高科技。作为重要的技术配套和保障单位，中国航天科工所属17家单位的30余项技术产品及软件测评服务，为嫦娥三号“落下去、分得开、看得见、走起来”的各阶段目标提供全程保障支撑，助力我国开启和平开发利用太空的新征程。

稳稳hold住速度精准操控落月

作为“中华牌”的航天器首次地外天体着陆任务，“嫦娥落月”成为了举世瞩目的焦点。而这其中，中国航天科工再次发挥“大安全”理念下积淀的技术成果和优势，为嫦娥登月提供精准安全的技术支撑。

嫦娥三号经历了地月转移变轨、环月轨道保持和动力下降三个阶段，其中速度控制是关键因素，航天科工研制的高精度加速度计组合如同“感应精灵”，帮助嫦娥三号在奔月、登月路上hold住飞行速度，确保实现精确的变轨控制和平稳、准确的着陆控制。

该组合的核心部件石英挠性加速度计正是助力我国载人航天工程的“老字号”产品。经过进一步改良后，探月工程加速度计组合件测量精度提升了20%，温度工作范围提高了一倍。而且，此次组合还有另外两大优势：

2013年12月17日至18日，着陆器地形地貌相机拍摄的着陆器周边360°范围的全景镶嵌影像图，采用方位投影方式表达

一是采用新型冗余设计方案，可靠度进一步提升，在成本、体积、重量、功耗方面都具有较大优势。

二是该产品具有很好的故障检测能力。这就好比将一支6人组成的乐队任意抽出3人组成20支小乐队进行演奏，通过判断这些小乐队中哪几支的发挥明显出现问题来定位到其中滥竽充数的乐手，从而剔除出去，确保其他水平正常的乐手继续担当演奏任务。

该组合所用的加速度计的技术实力目前在国内居于领先地位，以此技术为基础，三院开发了性能优良的民用产品，其中，最具代表性的产品包括地质灾害监测系统、无线随钻测量系统和磁性连续测斜仪等，地质灾害监测系统曾成功应用于汶川地震救灾和舟曲灾后重建，无线随钻测量系统和磁性连续测斜仪则分别应用在油田的钻井和测井过程。

另一项为嫦娥三号着陆器实现“落下去”的功勋产品，是航天科工研制的γ关机敏感器。据了解，要真正实现我国航天器踏上月球，必须突破月面“软着陆”控制技术，其中落月高度的控制尤为关键。当嫦娥三号从环月飞行转到月面着陆工作阶段时，需要通过开启发动机控制“姿态”向月球缓慢下降，随着落月过程的开始，置于嫦娥三号底部的γ关机敏感器实时精确测量嫦娥三号与月面的距离。当探测到距月面数米高度时，发出关机指令关闭发动机。这个关机指令的发出，是实现“嫦娥落月”的关键动作，决定着“落月”任务的成败。

之后，随着发动机反推力的撤离，着陆器在月球引力作用下以自由落体的方式着陆，成功踏上月球。

航天科工研制的γ关机敏感器依靠自主研发和技术创新，攻克了航天器月面软着陆核心技术，实现了产品适应月面复杂环境、高精度测距、高可靠性、体积小、质量轻，拥有完全自主知识产权。

γ关机敏感器吊高试验

两器分得开 “玉兔”平稳着陆

在嫦娥三号着陆器安全着陆后，与着陆器紧紧相连的 “玉兔”月球车将实施按时分离动作，之后，分离后的巡视器在抬升机构板簧组件的作用下，按自主轨道顺利滑向月球表面，进行月球表面巡视工作。航天科工三院承担着压紧释放装置、车体连接解锁机构和抬升机构板簧三种部件的研制与生产，在嫦娥三号登月过程中发挥了关键的作用。

此前，这种连接分离机构已在载人航天工程中成功应用，它如飞船的臂膀，毫秒不差、收放自如地将各个舱段按需拆合，保障飞船安全进入轨道运行、返回地球、到达预定着陆点和安全着陆等各关键阶段。

压紧释放装置和车体连接解锁机构都是火工装置，前者用于着陆缓冲机构多功能辅助支柱的收拢压紧与展开释放，在入轨前将着陆器的四条腿牢固的压在着陆器身体上，在进入轨道后火攻装置同时释放，着陆器的四条腿解除约束，为降落月球表面做准备；后者用于“玉兔”和着陆器的连接与解锁，当着陆器降落月球表面后，车体连接解锁机构使巡视器和着陆器按时分离，与此同时，分离后的“玉兔”在抬升机构板簧组件的作用下，按自主轨道顺利滑向月球表面，进行月球表面巡视工作。两种火工机构能否在既定时间按时解锁，决定着此次任务的成败。

这两种零件壳体，一是尺寸要求精度高，二是内孔边缘壁厚要求极薄，加工容易变形，因此，加工难度和风险极大，为控制其变形，工艺人员采取了几种方法进行技术控制，比如加工过程中减小进给量、切削深度和切削速度，同时，增加热处理工序，使其应力释放。

抬升机构板簧组件，在巡视器解锁后实现巡视器的抬升，以便于巡视器进入脱离轨道，离开着陆器。由于板簧弹力值和伸缩高度都有严格设计要求，因此选材特殊，加工要求严格，特别是给热处理带来极大难度。技术人员充分发挥才智，在加工过程中，运用了大量的工装辅助，包括成型、校型、定型等过程，并且在成型、校型、定型的过程中，进行了多次真空热处理，解决了重大疑难问题，成功实现了技术要求。

由中国航天科工二院承制生产的谐波减速器工艺先进，精度很高，作为月球车着陆装置转移机构的关键部件，有力保证了嫦娥三号月球车在月球表面软着陆时的安全性，使“玉兔”像乘坐电梯一样的平稳安全着陆。

谐波减速器与传统的齿轮减速器相比具有更加轻量化、体积小、传动减速比大、承载能力大等优点，目前广泛应用于航空、航天、航海、船舶、精密机器人等各类机械行业。此前，早在20世纪80年代，二院即生产出国内首台谐波减速器，打破了西方国家的垄断。

车体连接分离机构研制团队

航天精工高精度紧固件研制场景

嫦娥三号着陆器行走臂释放试验

嫦娥三号巡视器外场专项试验

众所周知，空间工程对产品的一项重要要求就是控制重量，甚至有人计算过，产品每多1克，那么将给整个任务增加不止1克黄金的成本。此次任务之初，由于体积问题遇到设计瓶颈，工艺人员立即在工艺组内展开“头脑风暴”，经过几番论证，摒弃以往的工艺设计思路，打破常规，同时结合丰富的工艺加工经验，进行了一系列设计改进。在充分满足性能、强度等指标要求的同时，产品质量降低了约200多克。

在传统齿轮加工工艺里面，机床上的刀具“走”完一圈，将齿轮加工完毕之后产品即转入下一个环节进行生产，但是由于刀具在切削工件的时候会有一定的磨损，进而导致产品每一个齿轮之间会有微小的运动误差，这种误差在一般情况下并不会对产品质量产生影响。但此次嫦娥三号的谐波减速器的电机功率过小，会有一定几率出现齿轮的卡滞，甚至卡死现象，一旦出现问题，将对任务产生巨大影响。技术人员和加工的技师通过改进工艺保证了质量。

谐波减速器共由数十个零件组成，嫦娥三号对零件的要求非常高，同轴度、尺寸精度、位置精度，每一个零件都几乎是超精密的级别，为了保证这个几乎为零的误差，技术人员几乎完全就是按照零误差来进行零件选配。

航天精工股份有限公司是中国航天科工集团公司（简称“航天精工”）直接管理的集高、中端紧固件研发、制造和检测为一体的高新技术企业。凭借强大的新产品研发能力和质量保证能力，航天精工为嫦娥三号配套了大量的钛合金螺栓、螺钉、铆钉等高性能紧固件。这些高性能紧固件在嫦娥三号中连结构、进系统，为登月任务的圆满成功提供了可靠的质量保障。

让着陆器的“眼睛”“看得更真”

嫦娥三号着陆器在落月点“虹湾”着陆后，将在顶部弹出一个桅杆，桅杆上有它的“眼睛”——地形地貌相机组件，航天科工研制的光学镜头组件是地形地貌相机组件的最重要构成，主要任务是清晰拍摄“广寒宫”外形的动态和静态照片，并时刻关注“月球车”的运行状况。

地形地貌相机是我国首台在月球上拍摄彩色图像的“彩色相机”。当“深情对望”的嫦娥三号着陆器和“玉兔”号月球车，互拍下置于身上的五星红旗时，中国向世界宣告——圆满完成嫦娥三号任务，凝聚数亿中华儿女期待的“探月梦”又向前推进扎实一步。

适应宇宙空间辐射和月表极冷极热的真空环境，是嫦娥三号必须面临的考验，也是这双“眼睛”看得见的前提。如果措施不当，宇宙空间辐照会导致镜头透过率严重下降，进而致使地形地貌相机无法正常工作。研制团队在光学镜头上采用了耐辐照环境适应性设计技术，为相机穿上了“防辐射服”。

月球表面温度变化剧烈，镜头需要承受-100℃到100℃的温度冲击，镜头需要在-35℃～65℃温度范围内的真空热环境下正常工作。为此，研制团队通过先进的设计方法，给它打了“免疫疫苗”，确保镜头适应月球的特殊环境。

嫦娥三号月球探测器，包括着陆器和巡视器，是我国研制的首次在外天体实施软着陆的航天器

卫星测控中心人员使用计算机进行操控

如何在月球上拍摄出“真颜色”的彩色照片，是摆在设计人员面前的一大难题。经过反复思考、计算和试验，研制团队攻克了技术难关，给镜头戴上了一个“头盔”——遮光罩，阻拦了外界杂散光。在此基础上，将“戴”在镜头前端的“有色眼镜”挪到了镜头里面，在消除颜色差异（偏红或偏蓝）的同时避免了鬼像（鬼像即非预期影像）的产生。

为了避免月尘污染的影响，确保高质量清晰成像，设计人员采用先进技术，给光学镜头上安装了一个“屏蔽网”，将落在镜头表面的月尘影响屏蔽掉。

让“玉兔”月球车“走动起来”

在离开着陆器的“怀抱”后，月球车会“迫不及待”地开展月面探测工作，如何让它灵活地“走起来”，顺利完成避障、越障、爬坡等精彩动作，是本次嫦娥任务的一个关键。为此，航天科工061基地为其“量身定制”了两种无刷直流电机，一种用于月球车移动分系统车轮驱动，让月球车顺畅“走起来”的6个驱动电机和4个转向驱动电机；另一种用于月球车机械臂分系统关节驱动，让机械臂灵活“动起来”。

两种驱动电机经过各种严格苛刻试验的“千锤百炼”，技术指标完全达到航天标准并填补了国内空白，确保了月球车各项探测、观测试验任务的顺利开展，树立我国深空探测极端环境微特电机研发的里程碑。

061基地作为我国航天电机最大的生产单位，具有历次载人航天微特电机配套研制基础和卫星用微特电机的研究基础。但在接到嫦娥三号月球车配套研制任务时，面对近乎苛刻的技术指标和极其严酷的工作环境，仍感到任务十分艰巨。在无任何技术基础前提下，研制团队查阅了上千页国内外技术资料，进行了数百次计算、分析和数十次工艺攻关验证，终于固化了技术状态，达到了国内类似体积无刷直流电动机的最高技术指标；为有效解决这两种驱动电机能在超低温、大温差、极端真空条件下的“生存”问题并确保高可靠性，他们展开了一系列技术攻关，最终通过技术鉴定，并达到了国际水平。

随着我国探月工程不断推进，后续试验任务对所使用的电动机提出了寿命更长、可靠性更高、电磁兼容更好以及长时间极端环境和小型化等更严格的要求。面对新任务、新挑战，研发人员将在前期探月工程配套研制所积累的技术基础上，不断识别新的关键技术，提前部署技术攻关，开展“探月”电机特殊技术预先研究，提高产品技术成熟度，努力为后续型号提供更好的技术支持和可靠的技术保障，为我国探月工程作出新的更大的贡献！

让嫦娥“看得见”镜头组件研制团队工作场景

着陆器和月球车互拍的照片

着陆器地形地貌相机拍摄的“玉兔”号月球车，她将远行并开展月面测试工作

助力嫦娥三号的“隐形翅膀”

嫦娥三号探月任务中，由中国航天科工二院自主研制的五种声表面波器件，为嫦娥三号滤除无用信息干扰，确保其与地面中心保持顺畅通信、将月表形貌与地质构造等科学数据精准传送到地面。

声表面波器件是航天器上各分系统中的关键元器件，探月工程所用的声表面波器件要求有良好的性能参数、高稳定、高可靠性，同时要体积小、功耗低、灵敏度高。参与这次任务的五种声表面波器件，分别应用在卫星的捕获、测控、应答机等分系统中，起到滤除杂波信号、干扰信号、镜像信息的作用，高效改善信号频谱特性，提高整机灵敏度、稳定度，保障探月工程各分系统信号接收、处理的有效进行，为嫦娥三号接受指令完成各项任务扫除了障碍。

负责研制五种声表面波器件的航天科工二院为星用型号配套20余年，是航天器用声表面波器件标准的主体起草单位，承担了我国90%以上的星用声表面波器件研制生产任务，具备完整的航天器用声表面波器件的研发、生产、检验条件。

当嫦娥三号月球车漫步在美丽的月宫，把她的奇妙见闻与地球人“分享”时，你可曾知道，在她长袖善舞背后有个功不可没的 “人”——软件“健康体检师”。

这个软件“健康体检师”是由中国航天科工三院软件评测中心承担。作为探月工程软件测试机构之一，发射之前，要为嫦娥三号任务地面应用系统和探测器有效载荷分系统提供了全方位的体检服务。

“健康体检师”所承担的工作有：出规范，编制“软件体检说明书”。软件质量的优劣，直接关系到探月工程的成败。为规范探月软件测试标准和流程，“体检师”团队通过引进、消化、吸收和创新等一系列“化学”反应，创新性地编制了探月工程软件评审实施细则，并编制出国内第一份有关可编程逻辑器件软件研制方面的行业技术规范，不仅保证了“体检说明书”与国际、国内先进技术水平的顺利接轨，更填补了探月工程等国家大型工程在可编程逻辑器件软件管理和技术要求方面的空白。