12月3日23時(shí)10分，嫦娥五號上升器3000N發(fā)動(dòng)機(jī)工作約6分鐘，成功將攜帶樣品的上升器送入到預(yù)定環(huán)月軌道。這是我國實(shí)現(xiàn)地外天體起飛。

點(diǎn)火起飛前，嫦娥五號著陸器與上升器組合體實(shí)現(xiàn)月面五星紅旗展開，這是中國在月球表面實(shí)現(xiàn)五星紅旗的“獨(dú)立展示”。接下來，嫦娥五號將迎來激動(dòng)人心的月球無人交會(huì)對接時(shí)刻。

不少網(wǎng)友在激動(dòng)留言：“月球土特產(chǎn)已打包，嫦娥快遞正在派送中，請注意查收！”“舉國歡迎美挖土姐姐”“即使太空再黑，五星紅旗的光芒也會(huì)指引你我繼續(xù)前進(jìn)，嫦娥五號我們等你回家”……

這條回家之路必將被世界、被歷史銘記。

著陸器當(dāng)“發(fā)射塔架”

在嫦娥“五姑娘”完成“挖土”工作后，她就要踏上“回娘家”的旅程。返回地球可不容易，能否“邁好”至關(guān)重要，這就涉及月面起飛上升。

與地面起飛不同，嫦娥五號上升器月面起飛不具備成熟的發(fā)射塔架系統(tǒng)，著陸器相當(dāng)于上升器的“臨時(shí)塔架”。月面起飛沒有“地勤”支持，一切都靠自己，且必須一次成功，難度很高。

上升器起飛存在起飛初始基準(zhǔn)與起飛平臺(tái)姿態(tài)不確定、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限、地月環(huán)境差異等問題；另外由于月球上沒有導(dǎo)航星座，上升器起飛后，需在地面測控輔助下，借助自身攜帶的特殊敏感器實(shí)現(xiàn)自主定位、定姿。為了確保上升器能夠順利起飛上升，研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，并建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證任務(wù)，保證了嫦娥五號邁出了回家的腳步。

月球上亮出“中國紅”

在嫦娥五號探測器完成采樣任務(wù)上升起飛前，國旗展示系統(tǒng)成功在月面打開。

國旗從“靜若處子”到“動(dòng)若脫兔”，一面旗，一張圖，一種能力，成功背后凝聚著航天人的不懈追求。猶記得2013年12月，嫦娥三號探月，嫦娥著陸器和玉兔月球車互相拍照，月球車“胸前”的五星紅旗鮮艷奪目。月球上首秀“留影”，國旗是“靜靜躺在玉兔懷里”。如今，五星紅旗真真切切獨(dú)立展示在月球上。

國旗展示系統(tǒng)布置在嫦娥五號著陸器艙外，熱環(huán)境、空間環(huán)境等條件惡劣，需采取多種環(huán)境適應(yīng)性措施確保其正常工作。五星紅旗能夠在月球上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立展示，主要依靠月面國旗展示系統(tǒng)輔助。該系統(tǒng)由月面國旗、壓緊釋放裝置、展開機(jī)構(gòu)三部分組成，長約半米。系統(tǒng)在折疊狀態(tài)下隨探測器升空，著陸月球后按照指令解鎖打開。

與嫦娥三號、嫦娥四號以及玉兔月球車上的五星紅旗采用噴涂方式不同，嫦娥五號這面“織物版”五星紅旗是一面真正的旗幟。科研團(tuán)隊(duì)在選材上花費(fèi)的時(shí)間就超過1年，挑選出了二三十種纖維材料，通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等物理試驗(yàn)，決定采用某新型復(fù)合材料，既能滿足強(qiáng)度要求，又能滿足染色性能要求，從而保證五星紅旗能夠抵御月表惡劣的環(huán)境，做到不褪色、不串色、不變形。

嫦娥五號五星紅旗平面運(yùn)動(dòng)包絡(luò)將近2000mm×900mm，整個(gè)系統(tǒng)的重量只有1公斤。選擇這樣的旗面尺寸是研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過綜合考慮的結(jié)果，目的是盡量突出視場效果，讓相機(jī)拍出來的照片既能看到月表、深空，也能看到著陸器；如果五星紅旗太大或太小，照片均無法呈現(xiàn)出豐富的元素。

由于五星紅旗展示系統(tǒng)的重量只有1公斤，研制團(tuán)隊(duì)圍繞整個(gè)系統(tǒng)在減重問題上下了大量功夫，不僅材料要輕質(zhì)化，而且還對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在選取耐高溫、抗嚴(yán)寒材料的基礎(chǔ)上盡量將支架臂做薄、做小。系統(tǒng)使用的支架結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境中能承受住冷熱交變、空間輻照、低真空等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

21秒要完成“太空牽手”

著陸器與上升器組合體抵達(dá)月球，完成月壤樣品的采集任務(wù)后，上升器攜帶樣品從月面起飛，與等候在月球軌道的軌道器自主交會(huì)對接，并將攜帶的樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器。

由中國航天科技集團(tuán)八院研制的軌道器，就像一名太空快遞小哥，從地球出發(fā)趕到38萬公里外的月球軌道上，取一份來自月球的珍貴樣品，再快遞回地球。

實(shí)際上，從嫦娥五號發(fā)射升空時(shí)，這名快遞小哥就忙碌不停。先是攜帶著陸器、上升器和返回器，完成地月轉(zhuǎn)移、中途修正和近月制動(dòng)。進(jìn)入環(huán)月軌道后，軌道器與著陸器上升器的組合體分離，攜帶返回器留在軌道上等候“取件”。

據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號探測器副總指揮張玉花介紹，嫦娥五號軌道器與上升器采用的對接方式，與我國載人航天采用的對接方式有很大區(qū)別。載人航天采用的是“異體同構(gòu)周邊式對接機(jī)構(gòu)”，兩個(gè)航天器對接后形成80厘米左右的通道，航天員可以在其中穿行。嫦娥五號采用的是“抱爪式對接機(jī)構(gòu)”，通過增加連桿棘爪式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對接與自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能的一體化。這些設(shè)計(jì)理念均為世界首創(chuàng)，對接精度可以達(dá)到毫米級。

“所謂抱爪式，就像我們的手握棍子的動(dòng)作，兩個(gè)方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五號軌道器技術(shù)副總負(fù)責(zé)人胡震宇解釋說，“對接機(jī)構(gòu)由3套K形抱爪構(gòu)成，當(dāng)上升器靠近時(shí)，只要對準(zhǔn)連接面上的3根連桿，將抱爪收緊，就可以實(shí)現(xiàn)兩器的緊密連接?！?/span>

軌道器和上升器在環(huán)月軌道滿足對接初始條件時(shí)，要求控制器在收到抓捕指令后1秒鐘內(nèi)控制抓捕機(jī)構(gòu)完成抓捕，21秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩器剛性連接?？梢哉f，是在38萬公里外的月球外眨個(gè)眼的工夫就要完成對接。

“取件”誤差不大于5微米

當(dāng)軌道器和上升器對接完成后，需將上升器里裝有月壤樣品的容器轉(zhuǎn)移到返回器。對接機(jī)構(gòu)中對接環(huán)的運(yùn)動(dòng)位置精度和對中性是影響月球土壤封裝成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素。中國航天科技集團(tuán)有限公司八院149廠是參與研制生產(chǎn)嫦娥五號對接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)。

149廠技師、對接機(jī)構(gòu)總裝組組長王曙群介紹，這次對接樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)是一種弱剛性結(jié)構(gòu)，體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但功能一樣沒有減少，所以對于裝配中的測量數(shù)量、精度等要求更高。在轉(zhuǎn)移過程中，系統(tǒng)形成了一個(gè)封閉式的微型“隧道”，受到了產(chǎn)品特性的六個(gè)自由度的限位限制。

在研制過程中，團(tuán)隊(duì)的兩位技師吳駿和顧京海發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計(jì)中六個(gè)自由度的限制，讓本來就屬于弱剛性的結(jié)構(gòu)很容易受到外界壓力后產(chǎn)生細(xì)微的形變。他們反復(fù)分析了整個(gè)系統(tǒng)的傳送運(yùn)動(dòng)軌跡和路徑，提出了將限位減少到兩個(gè)自由度，即左右和旋轉(zhuǎn)的自由度。

為此，他們將原本圓孔的限位裝置改為“方孔+扁平軸”的限位裝置，從而在確保產(chǎn)品裝配精度要求的情況下，使得轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在運(yùn)作中能流暢地完成每一個(gè)指令和動(dòng)作，使各個(gè)位置的精度誤差均不大于5微米。

“打水漂”式返回地球

那么，“五姑娘”的回家之路還有多久呢？據(jù)了解，嫦娥五號任務(wù)完成預(yù)計(jì)需要20余天。

對接完成并順利將樣品轉(zhuǎn)移至返回器后，軌道器和返回器組合體將在月球軌道上擇機(jī)實(shí)施月地入射，當(dāng)軌道器和返回器組合體飛到距地球5000公里時(shí)，軌道器留在月球軌道；返回器則要帶著來自月球的2公斤左右的寶貴樣品，經(jīng)歷慣性滑行、地球大氣再入、回收著陸三個(gè)階段返回地球。

值得關(guān)注的是，返回器回家的一步，面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。當(dāng)返回器帶著月壤向地球飛來，其飛行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度，一旦速度過猛，后果不堪設(shè)想，為此，研制人員創(chuàng)新提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，就像在太空“打水漂”一樣，讓返回器先是高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，返回地面。