2020年12月3日23時(shí)10分，嫦娥五號(hào)上升器攜帶月球樣品從月面點(diǎn)火起飛，約6分鐘后，進(jìn)入環(huán)月橢圓軌道。12月6日2時(shí)13分，上升器準(zhǔn)確到達(dá)軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預(yù)定“交班”位置。5時(shí)42分，上升器與軌返對(duì)合體完成交會(huì)對(duì)接，6時(shí)，樣品封裝容器從上升器轉(zhuǎn)移到返回器中。這個(gè)自主交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術(shù)含量極高。采用從月面起飛后進(jìn)行一次月球軌道交會(huì)對(duì)接，而不是從月面起飛后直接月地轉(zhuǎn)移，這樣的設(shè)計(jì)有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續(xù)任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累和驗(yàn)證。
上升器和軌返組合體都在環(huán)月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內(nèi)道跑。內(nèi)道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當(dāng)接近到一定距離時(shí)，軌返組合體會(huì)自主控制發(fā)動(dòng)機(jī)來改變行進(jìn)方向，抄近道趕上上升器。整個(gè)追逐過程設(shè)置多個(gè)停泊點(diǎn)，軌返組合體停下來保持相對(duì)位置不變，進(jìn)行狀態(tài)檢查，并確保對(duì)接的時(shí)候測(cè)控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會(huì)對(duì)接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng). 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2021, 51: 788–798）看點(diǎn)2——“高精測(cè)量”+“知己知彼”在交會(huì)對(duì)接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對(duì)位置、速度和姿態(tài)，為此配置了多種進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的敏感器，用來實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航。在相距100公里的時(shí)候，微波雷達(dá)開始工作，既按照傳統(tǒng)雷達(dá)的“點(diǎn)名答到”模式提供兩器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還升級(jí)到“對(duì)話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測(cè)參數(shù)。在相距20公里的時(shí)候，激光雷達(dá)“登場(chǎng)”，提供更高精度的測(cè)量信息。而到了100米左右，光學(xué)敏感器開始大顯身手，實(shí)現(xiàn)近距離的距離和姿態(tài)測(cè)量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準(zhǔn)，測(cè)得更精，系統(tǒng)更加可靠。
看點(diǎn)3——38萬公里之外的精準(zhǔn)“交接棒”軌返組合體重達(dá)2噸多，上升器質(zhì)量卻只有它的六分之一，如果采用傳統(tǒng)的碰撞式對(duì)接，極易導(dǎo)致上升器被撞飛。為此，專門設(shè)計(jì)了抱爪式抓捕對(duì)接機(jī)構(gòu)，每對(duì)抱爪猶如兩只手臂，在1秒內(nèi)快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動(dòng)鎖柄牢牢地約束在內(nèi)部，再也無法逃脫。對(duì)得上還得對(duì)得準(zhǔn)，對(duì)接后的精度要求優(yōu)于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機(jī)構(gòu)星型周向布局、自定心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩飛行器對(duì)接后的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心，在保證高精度對(duì)接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很巧妙。為了實(shí)現(xiàn)六百多毫米的長(zhǎng)行程樣品容器轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運(yùn)動(dòng)行程放大+接力轉(zhuǎn)移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機(jī)構(gòu)，通過多級(jí)并聯(lián)連桿的簡(jiǎn)單循環(huán)展收運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)物體的連續(xù)移動(dòng)。整個(gè)轉(zhuǎn)移過程如同毛毛蟲的運(yùn)動(dòng)，一伸一縮、不斷前進(jìn)。
2020年12月3日23時(shí)10分，嫦娥五號(hào)上升器攜帶月球樣品從月面點(diǎn)火起飛，約6分鐘后，進(jìn)入環(huán)月橢圓軌道。12月6日2時(shí)13分，上升器準(zhǔn)確到達(dá)軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預(yù)定“交班”位置。5時(shí)42分，上升器與軌返對(duì)合體完成交會(huì)對(duì)接，6時(shí)，樣品封裝容器從上升器轉(zhuǎn)移到返回器中。這個(gè)自主交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術(shù)含量極高。采用從月面起飛后進(jìn)行一次月球軌道交會(huì)對(duì)接，而不是從月面起飛后直接月地轉(zhuǎn)移，這樣的設(shè)計(jì)有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續(xù)任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累和驗(yàn)證。
上升器和軌返組合體都在環(huán)月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內(nèi)道跑。內(nèi)道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當(dāng)接近到一定距離時(shí)，軌返組合體會(huì)自主控制發(fā)動(dòng)機(jī)來改變行進(jìn)方向，抄近道趕上上升器。整個(gè)追逐過程設(shè)置多個(gè)停泊點(diǎn)，軌返組合體停下來保持相對(duì)位置不變，進(jìn)行狀態(tài)檢查，并確保對(duì)接的時(shí)候測(cè)控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會(huì)對(duì)接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng). 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2021, 51: 788–798）看點(diǎn)2——“高精測(cè)量”+“知己知彼”在交會(huì)對(duì)接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對(duì)位置、速度和姿態(tài)，為此配置了多種進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的敏感器，用來實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航。在相距100公里的時(shí)候，微波雷達(dá)開始工作，既按照傳統(tǒng)雷達(dá)的“點(diǎn)名答到”模式提供兩器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還升級(jí)到“對(duì)話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測(cè)參數(shù)。在相距20公里的時(shí)候，激光雷達(dá)“登場(chǎng)”，提供更高精度的測(cè)量信息。而到了100米左右，光學(xué)敏感器開始大顯身手，實(shí)現(xiàn)近距離的距離和姿態(tài)測(cè)量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準(zhǔn)，測(cè)得更精，系統(tǒng)更加可靠。
看點(diǎn)3——38萬公里之外的精準(zhǔn)“交接棒”軌返組合體重達(dá)2噸多，上升器質(zhì)量卻只有它的六分之一，如果采用傳統(tǒng)的碰撞式對(duì)接，極易導(dǎo)致上升器被撞飛。為此，專門設(shè)計(jì)了抱爪式抓捕對(duì)接機(jī)構(gòu)，每對(duì)抱爪猶如兩只手臂，在1秒內(nèi)快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動(dòng)鎖柄牢牢地約束在內(nèi)部，再也無法逃脫。對(duì)得上還得對(duì)得準(zhǔn)，對(duì)接后的精度要求優(yōu)于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機(jī)構(gòu)星型周向布局、自定心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩飛行器對(duì)接后的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心，在保證高精度對(duì)接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很巧妙。為了實(shí)現(xiàn)六百多毫米的長(zhǎng)行程樣品容器轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運(yùn)動(dòng)行程放大+接力轉(zhuǎn)移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機(jī)構(gòu)，通過多級(jí)并聯(lián)連桿的簡(jiǎn)單循環(huán)展收運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)物體的連續(xù)移動(dòng)。整個(gè)轉(zhuǎn)移過程如同毛毛蟲的運(yùn)動(dòng)，一伸一縮、不斷前進(jìn)。
2020年12月3日23時(shí)10分，嫦娥五號(hào)上升器攜帶月球樣品從月面點(diǎn)火起飛，約6分鐘后，進(jìn)入環(huán)月橢圓軌道。12月6日2時(shí)13分，上升器準(zhǔn)確到達(dá)軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預(yù)定“交班”位置。5時(shí)42分，上升器與軌返對(duì)合體完成交會(huì)對(duì)接，6時(shí)，樣品封裝容器從上升器轉(zhuǎn)移到返回器中。這個(gè)自主交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術(shù)含量極高。采用從月面起飛后進(jìn)行一次月球軌道交會(huì)對(duì)接，而不是從月面起飛后直接月地轉(zhuǎn)移，這樣的設(shè)計(jì)有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續(xù)任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累和驗(yàn)證。
上升器和軌返組合體都在環(huán)月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內(nèi)道跑。內(nèi)道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當(dāng)接近到一定距離時(shí)，軌返組合體會(huì)自主控制發(fā)動(dòng)機(jī)來改變行進(jìn)方向，抄近道趕上上升器。整個(gè)追逐過程設(shè)置多個(gè)停泊點(diǎn)，軌返組合體停下來保持相對(duì)位置不變，進(jìn)行狀態(tài)檢查，并確保對(duì)接的時(shí)候測(cè)控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會(huì)對(duì)接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng). 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2021, 51: 788–798）看點(diǎn)2——“高精測(cè)量”+“知己知彼”在交會(huì)對(duì)接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對(duì)位置、速度和姿態(tài)，為此配置了多種進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的敏感器，用來實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航。在相距100公里的時(shí)候，微波雷達(dá)開始工作，既按照傳統(tǒng)雷達(dá)的“點(diǎn)名答到”模式提供兩器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還升級(jí)到“對(duì)話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測(cè)參數(shù)。在相距20公里的時(shí)候，激光雷達(dá)“登場(chǎng)”，提供更高精度的測(cè)量信息。而到了100米左右，光學(xué)敏感器開始大顯身手，實(shí)現(xiàn)近距離的距離和姿態(tài)測(cè)量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準(zhǔn)，測(cè)得更精，系統(tǒng)更加可靠。
看點(diǎn)3——38萬公里之外的精準(zhǔn)“交接棒”軌返組合體重達(dá)2噸多，上升器質(zhì)量卻只有它的六分之一，如果采用傳統(tǒng)的碰撞式對(duì)接，極易導(dǎo)致上升器被撞飛。為此，專門設(shè)計(jì)了抱爪式抓捕對(duì)接機(jī)構(gòu)，每對(duì)抱爪猶如兩只手臂，在1秒內(nèi)快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動(dòng)鎖柄牢牢地約束在內(nèi)部，再也無法逃脫。對(duì)得上還得對(duì)得準(zhǔn)，對(duì)接后的精度要求優(yōu)于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機(jī)構(gòu)星型周向布局、自定心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩飛行器對(duì)接后的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心，在保證高精度對(duì)接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很巧妙。為了實(shí)現(xiàn)六百多毫米的長(zhǎng)行程樣品容器轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運(yùn)動(dòng)行程放大+接力轉(zhuǎn)移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機(jī)構(gòu)，通過多級(jí)并聯(lián)連桿的簡(jiǎn)單循環(huán)展收運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)物體的連續(xù)移動(dòng)。整個(gè)轉(zhuǎn)移過程如同毛毛蟲的運(yùn)動(dòng)，一伸一縮、不斷前進(jìn)。
2020年12月3日23時(shí)10分，嫦娥五號(hào)上升器攜帶月球樣品從月面點(diǎn)火起飛，約6分鐘后，進(jìn)入環(huán)月橢圓軌道。12月6日2時(shí)13分，上升器準(zhǔn)確到達(dá)軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預(yù)定“交班”位置。5時(shí)42分，上升器與軌返對(duì)合體完成交會(huì)對(duì)接，6時(shí)，樣品封裝容器從上升器轉(zhuǎn)移到返回器中。這個(gè)自主交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術(shù)含量極高。采用從月面起飛后進(jìn)行一次月球軌道交會(huì)對(duì)接，而不是從月面起飛后直接月地轉(zhuǎn)移，這樣的設(shè)計(jì)有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續(xù)任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累和驗(yàn)證。
上升器和軌返組合體都在環(huán)月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內(nèi)道跑。內(nèi)道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當(dāng)接近到一定距離時(shí)，軌返組合體會(huì)自主控制發(fā)動(dòng)機(jī)來改變行進(jìn)方向，抄近道趕上上升器。整個(gè)追逐過程設(shè)置多個(gè)停泊點(diǎn)，軌返組合體停下來保持相對(duì)位置不變，進(jìn)行狀態(tài)檢查，并確保對(duì)接的時(shí)候測(cè)控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會(huì)對(duì)接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號(hào)月球軌道交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng). 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2021, 51: 788–798）看點(diǎn)2——“高精測(cè)量”+“知己知彼”在交會(huì)對(duì)接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對(duì)位置、速度和姿態(tài)，為此配置了多種進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的敏感器，用來實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航。在相距100公里的時(shí)候，微波雷達(dá)開始工作，既按照傳統(tǒng)雷達(dá)的“點(diǎn)名答到”模式提供兩器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還升級(jí)到“對(duì)話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測(cè)參數(shù)。在相距20公里的時(shí)候，激光雷達(dá)“登場(chǎng)”，提供更高精度的測(cè)量信息。而到了100米左右，光學(xué)敏感器開始大顯身手，實(shí)現(xiàn)近距離的距離和姿態(tài)測(cè)量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準(zhǔn)，測(cè)得更精，系統(tǒng)更加可靠。
看點(diǎn)3——38萬公里之外的精準(zhǔn)“交接棒”軌返組合體重達(dá)2噸多，上升器質(zhì)量卻只有它的六分之一，如果采用傳統(tǒng)的碰撞式對(duì)接，極易導(dǎo)致上升器被撞飛。為此，專門設(shè)計(jì)了抱爪式抓捕對(duì)接機(jī)構(gòu)，每對(duì)抱爪猶如兩只手臂，在1秒內(nèi)快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動(dòng)鎖柄牢牢地約束在內(nèi)部，再也無法逃脫。對(duì)得上還得對(duì)得準(zhǔn)，對(duì)接后的精度要求優(yōu)于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機(jī)構(gòu)星型周向布局、自定心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩飛行器對(duì)接后的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心，在保證高精度對(duì)接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很巧妙。為了實(shí)現(xiàn)六百多毫米的長(zhǎng)行程樣品容器轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運(yùn)動(dòng)行程放大+接力轉(zhuǎn)移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機(jī)構(gòu)，通過多級(jí)并聯(lián)連桿的簡(jiǎn)單循環(huán)展收運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)物體的連續(xù)移動(dòng)。整個(gè)轉(zhuǎn)移過程如同毛毛蟲的運(yùn)動(dòng)，一伸一縮、不斷前進(jìn)。