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“兰州制造”护航 助推探月新征程

2020-11-25 11:38

“兰州制造”护航 助推探月新征程

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月尘带电测量仪研制现场

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国际救援示位标

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水升华器贮箱

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月球样品密封封装子系统

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着陆器无损探伤测量仪

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月尘带电测量仪
“11月24日，嫦娥五号登月探测器发射升空，这是中国探月工程第三阶段最为重要的一步，它将在探月工程第一、第二阶段基础上，即嫦娥一号、二号、三号、四号探测工程基础上，继续在月球表面开展更深层次、更加全面的科学探测，重点关注月球地质、资源等方面的信息，核心任务是落月之后的采样封装并在采样封装之后成功返回地球。
值得一提的是在嫦娥五号上，搭载了中国航天科技集团有限公司第五研究院第510研究所(以下简称510所)的“产品大家族”，共有产品27台/套，活动件润滑机构1920件，高透明导电聚酰亚胺镀铝二次表面镜60平方米。其中以510所独立设计研制的嫦娥五号核心装置——月球样品密封封装子系统以及返回地球之后的月球样品解封分装操作台为代表，同时还有月尘带电及着陆器无损探伤测量仪，以及曾在其他型号任务中使用且进行了优化提升的国际救援示位标、贮箱、电源等产品。这些“家族成员”将在嫦娥五号任务中各司其职，为探月新征程保驾护航。尤其是月球样品密封封装子系统直接决定着本次探测任务的成败。”
44年后人类将重新带回月球样本
中国探月工程正式始于2004年，目前已经取得了数次任务的巨大成功。
2007年10月24日，嫦娥一号升空前往月球，全方位研究了月球总体情况。2010年10月1日，嫦娥二号发射，它在探索月球结束后飞过距离地球150万千米的日地拉格朗日二点，是人类历史上唯一一次从月球前往此点，后又飞掠图塔蒂斯小行星并滑向深空。2013年12月14日，嫦娥三号和玉兔一号成功软着陆月球，成为37年内再次访问月球的人类使者，嫦娥三号至今仍保有一定工作能力，创造了人类月球探测新纪录。2018年5月21日，鹊桥号出发，成为人类唯一地球/月球背后通信中继卫星。2019年1月3日，嫦娥四号和玉兔二号成功着陆月球背面南极-艾特肯盆地，实现人类探测器首次在月球背面软着陆，至今仍在工作。
国家探月工程中心专家、嫦娥五号飞控专家组专家、510所探月工程技术总负责人王先荣研究员告诉记者，嫦娥五号计划将在探月工程三期中完成月面取样返回任务，是探月工程中最关键的探测器，踏出中国探月工程的“绕、落、回”的最后一小步“回”，也是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。
王先荣透露，嫦娥五号由轨道器、返回器、上升器和着陆器组成，其中着陆器将进行月面软着陆，并自动进行月面采样、样品封装等操作，之后将样品由上升器升空进入月球轨道，与环月轨道上的轨道器对接。随后将样品转移到返回器内部，最后由返回器携带样品返回地球，降落在我国北方的内蒙古草原上。
整个任务预计持续23天左右，实现四个“首次”。首次在月球表面自动采样，首次从月面起飞，首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接，首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。“嫦娥五号到达月球轨道之后，着陆器和上升器会在月面降落，钻取约2米深的月壤岩芯柱，采集2公斤重月球样品，采集的过程由探测器自主完成。完成采样后，上升器将带着样品从月面起飞。在地球发射火箭，有完善的系统保障。在月球实现发射，难度可想而知。上升器回到月球轨道后，将与等候在那里的轨道器、返回器组合体交会对接。与距离地球表面300公里的载人航天交会对接相比较，距离地球38万公里的月球轨道交会对接，测控精度要求更高。最后，返回器将带着月球样品以接近每秒11.2公里的第二宇宙速度返回地球，对返回器安全减速，降落提出了很高的要求。”王先荣说，本次任务成功后中国将成为继美国和前苏联之后人类第三个获取月球样本的国家。
嫦娥五号核心装置510所研制
既然此次嫦娥五号的主要任务就是在月球表面“挖土”返回，那么510所设计的月球样品密封封装子系统自然成为了最重要的核心装置之一。作为嫦娥五号探测器的核心装置之一，其功能是承接采集到的月壤和月岩并对样品进行自动封装，保证月球样品在返回地面的过程中不受污染，维持样品的原始状态，充分保留其科学研究和探索价值。
王先荣告诉记者，目前，国外只有美国和前苏联实现了月球样品的采样返回，而且值得一提的是，美国是在月球上人工进行采样，前苏联则是把月壤的封装步骤放到了返回舱中。而我国的月球样品采集和封装完全是在无人条件下通过设备自主完成的，难度更大，需要攻克的关键技术更多。他表示，首先要实现月表环境下的月球样品密封封装子系统盖体自动开合，由于对装置重量和尺寸的严格限制，盖体的上升、旋转和下降等开关盖动作只能使用一套电机组件驱动，运动机构复杂。为保证机构的可靠性，研制团队在多年的研制过程中反复进行各种工况下的开合试验，模拟装置倾斜状态下的极限拉偏试验，将装置在月面可能出现的所有工况都进行了试验。在能够保证正常开关盖的同时，要实现月面极高、低温和月尘环境干扰下的高真空密封，研制团队通过不断的摸索，最终确定了橡胶圈密封和金属挤压密封相结合的冗余密封技术，在反复试验、设计更改、再试验的过程中确立了最优的密封结构，结合火工锁紧机构实现了盖体密封和锁定。保证装置在发射上升入轨后随返回器重返地球的过程中经历严苛的振动和冲击等力学环境后仍能实现有效密封，保证月球样品的成分不发生物理与化学变化并维持月表原态。
510所依托深厚的科学研究与工程研制基础，在国内首次研制了基于金属挤压密封原理的月球样品密封装置。产品突破了“极高真空样品密封技术”、“月表真空、带电月尘、高低温综合环境地面验证”等关键核心技术，使得装置性能指标达到国际先进水平。在未来我国深空探测工程中，此次设计的月球样品密封装置还可用于后续探测工程样品采集返回，如月球极区水冰采样返回任务、小行星采样返回任务、火星采样返回任务等。
返回地面的月球样品有两种，一种为表取月球样品，另一种为钻取月球样品。510所还设计研制了钻取样品截取和剪切装置。该装置的主要功能是在不破坏钻取月球样品层理状态的条件下对钻取月球样品进行截断，并对截断面进行密封，便于钻取月球样品的描述、处理、分析和分发等。
既然在月球表面对月壤样品进行了密封封装，那么回到地球之后就要对这些样品进行解封。因此510所又承担了月球样品解封分装操作台的研发设计和制造工作。嫦娥五号月球样品解封分装操作台是探月工程三期月球样品地面应用系统的核心装置，能够在真空环境下对返回地面后的月球采样封装装置进行解封及收集月球样品释放的稀有气体，并在高纯惰性气体环境下对月球样品进行收集、登记、描述等处理，最大限度保证月球样品尽可能少受地球外部环境的影响，避免月球样品氧化和污染，满足深空探测任务中地外天体样品密封容器解封、处理和保存等需求。
王先荣表示，该产品创新性地提出了分舱段进行月球样品解封及处理的方案，解决了样品密封装置解封时内外压差过大及真空环境下无法操作处理样品的难题，实现了真空环境下月球样品密封封装装置的解封及高纯氮气环境下月球样品的操作和处理。针对微量月球样品释放稀有气体难以采集的技术难点，设计了气体采集装置，实现了月球样品释放稀有气体采集及成分分析，解决了月球样品释放气体采集的难题。设计了自动解封机构，通过一套机构实现旋转解除样品密封、直线提升打通月球样品初级封装容器等多个动作，具有自动定位、自动解封的创新功能。
继美国之后重新直接测量月尘带电
除了在月球表面提取月壤样本之外，嫦娥五号着陆器的顶部还携带了一部月尘带电测量仪，这将是自美国阿波罗计划以来，人类第一次对月球表面的带电尘埃进行直接测量。而这部仪器也是510所研发设计的。
距离地球38万公里的月球上存在着尘土，叫做月尘，这些尘土可能在微流星和人类活动的情况下被激起而四散飞扬。510所为嫦娥三号研制的月尘测量仪采用了高灵敏和大量程传感器组合式的探测方法，可以测量着陆过程和自然状态下月尘累积质量。而在嫦娥五号项目中，为了进一步了解月尘的特性，设计研制了测量悬浮月尘带电的科学载荷装置。
月尘是月面环境中最重要的空间存在与环境因素，它的悬浮和输运会对航天器探测载荷以及宇航员健康造成直接影响与危害，密切关系着航天探测科学目标的实现乃至整个探测任务的成败，而月尘带电被认为是使其悬浮和输运的重要因素。
月尘带电测量仪由两套相同的测量探头组成，月尘带电测量探头是嫦娥五号着陆器工程参数测量分系统的一部分，它能够对月球表面由自然环境影响引起的月尘带电特性进行测量。每套探头又分别由一组阻滞栅网和一台微质量天平组成。阻滞栅网像扇门，在一定时候，只有满足一定条件的“月尘”才可以通过，这个条件就和月尘的带电量有关。栅网下方是一个由粘性薄膜和石英晶片组成的微质量天平，它相当于月尘颗粒的“体重秤”，这是目前最灵敏的“秤”，甚至可以测到纳克级的质量。当通过栅网的月尘颗粒被粘性膜“粘住”后，这些颗粒的质量就被称量出来了。于是，通过设置不同的“门槛”，不同带电量的月尘就被测量出来了。月尘带电测量探头获取的月尘相关特性数据可为后续载人登月的月尘防护和清除提供设计依据，具有重要的工程应用价值。
让嫦娥五号着陆更加安全平稳
510所机电产品事业部副总经理李昊璘告诉记者，嫦娥五号着陆探测器的飞行过程分为发射阶段、地月转移阶段、环月阶段和动力下降阶段。该所研制的着陆缓冲机构信号装置工作于着陆探测器的动力下降阶段。该设备个头不大，但作用非常重要，控制着探测器的着陆。这套信号装置由展开到位开关组件和落月信号装置组成，分别位于着陆缓冲机构的多功能支柱腿和足垫内。
李昊璘说，当着陆探测器接近月球，到达月球表面预定高度时，展开到位开关组件先开始工作。着陆缓冲机构按照指令点火起爆，展开到位后进行锁定。此时，展开到位开关组件被触发，产生了展开到位信号，相关系统得到信号后，探测器才能明确自身的展开状态，开始准备在月面着陆。但触月之前必须及时关闭反推发动机，如果反推发动机不能及时关闭，不仅影响着陆探测器的着陆稳定性和热特性，而且发动机连续工作吹起的月尘对机构及某些有效载荷也有明显的负面影响。这时落月信号装置就要发挥作用了，它在着陆器的着陆足垫接触月面时，受月面反作用力触发开关，把这个信号传给控制系统，关闭反推发动机，就好像马车夫勒紧了缰绳，从而保证马车能够安全平稳地停下。着陆缓冲机构信号装置在嫦娥系列上的成功应用，为将来我国研制更先进的月球着陆器积累了重要经验，奠定了坚实基础。
此外，510所还研制了嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪。该仪器是在着陆器着陆时，用来检测与力学支撑结构连接处受冲击产生的损伤状况的仪器设备。该设备可以为地面环境试验提供在轨数据，并为后续月球登陆提供设计优化支持。
510所空间探测载荷工程中心主任王鷁表示，在航天这种对产品可靠性要求极高的特殊领域，无损检测与评价技术水平在一定程度上反映了国家航天器的技术发展水平。目前国际上公认的适合空间应用的无损检测方法主要包括电涡流无损检测方法、电磁超声无损检测方法和目视法三种方法，其中电涡流无损检测技术发展最为成熟。510所嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪采用的是脉冲电涡流无损检测技术，根据任务目标，探头的工作实际上分为在轨测量和地面数据处理应用两个阶段。在轨测量主要是着陆过程中着陆器受着陆冲击损伤状况的测量。地面数据处理主要是对在轨测量数据进行反演，利用地面标定实验结果对测量数据进行定量或定性分析，获得着陆器支撑结构连接部位受冲击损伤状况，为地面环模试验提供验证，并为后续深空探测着陆设计改进提供技术支持。510所着陆器无损探伤测量仪还采用了先进的TMR无损检测技术，该项技术是国际无损检测技术的重要发展方向。由于我国对高性能TMR传感器的研究起步晚，尤其是空间应用尚未开展，为此，510所研制了基于TMR的弱磁场传感器，满足无损检测之用。其中，采用TMR进行无损检测中线圈与TMR的集成技术、TMR无损检测仪的标定技术等在国内均属首次，因此，研制具有空间环境适应能力的高性能TMR传感器技术是无损检测技术中的关键技术之一，也是本项目的创新点。
“产品大家族”助嫦娥五号顺利完成任务
除了以上几款重要产品之外。在嫦娥五号研制任务中，510所还承担了不少产品的研制与开发工作。该所表面工程事业部承担了钻取采样装置、表取采样机械臂，舱盖机构驱动组件、样品舱舱盖机构和太阳翼驱动组件等配套活动件研制及试验任务。
活动零部件是驱动机构的关键部件，在驱动机构顺利运转和完成指定任务过程中将起到至关重要的作用。嫦娥五号任务量大，时间紧，难度大，需使用的活动零部件种类较多，工况复杂。其中，钻取采样和表取采样装置是嫦娥五号项目中最重要的两个子系统，承担着充月球表层及一定深度采样并封装返回的重要使命。两种装置润滑件中包含了轴承、齿轮、丝杠等典型活动零部件及多种滑动润滑副，其主要特点是使用寿命长，润滑副间应力大，使用温度范围宽。
水升华器系统是探月三期热控分系统采用的全新技术，其中该所压力容器事业部设计研制的水升华器贮箱是水升华器系统的重要部件之一，主要用来存储和为水升华器系统提供脱气去离子水，是国内首次研发成功并应用于深空探测的气液一体落压式排放隔膜贮箱。本次嫦娥五号需经历地面存储、发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降及月面工作等全程阶段，因此，对贮箱经受来自各阶段的不同恶劣环境考核能力提出了更高的要求。为此，项目人员经过多次设计优化、试验验证，通过科技攻关设计出了水升华器贮箱。
该所机电产品事业部研制的国际救援示位标负责在返回器落地后会发射无线电信标信号，犹如海洋中的灯塔引导方向。这种信标符合国际通用标准，能够被岸站遍布世界各地的全球海事卫星搜救系统所识别，从而确保搜救人员能够快速找到返回器。应用于嫦娥五号的新型国际救援示位标从产品设计到功能性能指标，都实现了重大进步。在产品重量和体积减小约30%的情况下，产品的抗力学冲击能力大幅提升至以前的3倍。在降低重量的同时，该产品还通过减小晶体振荡器的相位噪声，使射频输出信号的频率稳定度大大提高,进而使目标的多普勒频移定位精度大幅提高;在射频输出端，设置内匹配电路，在短路和开路情况下，设备均不会损坏，当电路恢复正常后，仍能正常工作。对部分单元电路采用脉冲馈电技术，降低整机的功耗，进而减少了星上能源的消耗。作为救援设备，国际救援示位标从定位信息的获取、数据处理、编码调制发射到电源供自成一个独立系统的同时具有高定位准确性，大大提高了紧急状态下救援的可靠性和时效性。
在项目研制中，新工况、新要求层出不穷，但是终被攻克。510所科研人员继续发挥自身技术优势，通过多年创新攻关，以多样产品组成“探月家族”向月球和深空进发，用拼搏进取的创新精神助力中国航天新发展。
兰州日报社全媒体记者 孙理/文
图片由510所提供

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2026年03月14日 07:23:02