阳江信息港嫦娥五号作为探月绕落回三步走的收官之战，将实现我国首次月球无人采样返回。在本次任务的诸多看点之中，最引人瞩目的当属首次在38万公里之外的月球轨道上进行交会对接，将装有月壤的样品容器从上升器转移至返回器中。这是人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移，为了确保“抓得住，抱得紧，转得稳”的既定目标，精准可靠控制抱爪机构和转移机构是关键。而实现这个过程的核心就是由中国航天科技集团八院研制的对接与样品转移机构。>>>此前报道
嫦娥五号对接与样品转移机构的研制成功，为探月三期任务的实施奠定了坚实技术基础，同时填补了我国在轻小型对接机构工程化研究领域的空白，将为后续深空探测等任务提供有力支撑。
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“小而精”：人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移
嫦娥五号将实现人类首次月球轨道无人自动交会对接和样品转移。虽同名“交会对接”，但嫦娥五号采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天采用的对接方式却有很大的区别。
载人航天使用的对接机构学名叫异体同构周边式对接机构，在对接后可形成一个80厘米左右的通道，方便航天员在其中穿行。而与近地轨道的任务不同，月球探测对探测器的质量和空间有严苛限制，嫦娥五号的对接机构必须做到小而精，其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一，同时，还要具备样品容器捕获、自动转移功能——总之，重量更轻、精度更高、过程更稳。
“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。因此，我们在嫦娥五号上采用了抱爪式对接机构，通过增加连杆棘爪式转移机构，实现了对接与自动转移功能的一体化，这些设计理念都是世界首创。”中国航天科技集团有限公司八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说。
“所谓的抱爪，其实形象地说，就像我们手握棍子的动作，两个方向一用力，就可以把棍子牢牢地握在手中。”嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍。探测器采用的对接机构就是由3套K形抱爪构成的，当上升器靠近时，只要对准连接面上的3根连杆，将抱爪收紧，就可以实现两器的紧密连接。
在方案确定之前团队非常纠结，探月项目状态复杂、继承性较弱，可参考的东西可以说只有“一页纸”，为了完成技术攻关，胡震宇就和时任对接与样品转移分系统主任设计师郑云青带领年轻的团队成员广泛调研国内外对接机构设计，开展了4种对接方案设计和9种转移方案设计，上升器“推”、轨道器“移”、返回器“拉”各3种。胡震宇介绍，通过多轮方案比较及关键技术攻关，最终确定了现在的抱爪式对接方案和连杆棘爪转移方案。
而轨道器和上升器对接完成后，还要进行一个重要动作，就是将上升器上装有月壤的样品容器转移到返回器中。
“连杆棘爪式转移机构，采用了一个非常巧妙的设计。”胡震宇介绍，“我们利用2套倒三角形构型的棘爪，通过4次伸缩，使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带，相连后就只能单方向传递，只能前进不能后退。”
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21秒内完成：1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧
捕获、收拢、转移，看似简单的过程，但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却远远没有那么简单。
“月球轨道相对于地球轨道有时延，时间走廊较小，这就对时效性要求非常高，必须一气呵成完成对接与转移任务。”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲解释，“对接全步骤要在21秒内完成，1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。为此我们做了35项故障预案，从启动开始到交会对接，全部采用自动控制。”
作为工程研制单位，八院805所从2011年就开始开展相关技术的攻关和工程研制，以突破轻小型弱撞击式对接、复杂接口自动样品转移、对接与转移一体化等关键技术。
“我们构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统，先后进行了661次对接测试、518次样品转移测试，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程的万无一失。”刘仲介绍，“我们甚至在试验中故意加入小故障，让对接机构自动判别，进行故障排除，确保整个过程一气呵成、稳妥可靠。”
减重以克计，降功以瓦算
嫦娥五号探测器任务要求极其复杂，对产品研制的各方面条件制约严重。就在研制初期，摆在团队面前最直接的困难就是重量和功耗紧张。对于航天器而言，重量好比黄金，功耗好比白银；或者说，减重以克计，降功以瓦算，这是一个让设计师谈之色变的永恒难题。
航天器的这些约束，让轨道器技术副总负责人李天义犯了难——这要求研制团队除了在舱体结构减重设计上想办法外，还要对传统航天器的电气系统分工和电子产品设计理念进行创新整合和优化。不破不立，李天义带领的综合电子研发团队经过十数轮论证，将原有分散在多个分系统中的能源管理与控制、火工品起爆控制等功能全部集成至数据管理的功能中，形成全新的综合电子分系统。集中攻关的强度太大，每天查阅资料整理报告重量可以用“吨”来计算，资料连起来可以绕地球一圈，“李总永远放不下的是老花镜，为了随时看报告。”团队调度杜善亮打趣说。
要实现电气功能的整合，打“破”原有的设计方法，就必须建立一套新的设计标准。包括一系列通用化的软硬件标准、接口标准，甚至建立一套全新的系统集成测试方法，摸索出一套全新与之匹配的产保方法。这难度不亚于将一个机器人“身体”保证不受损的基础上，将体内所有的骨骼血液拆碎重组，还要保证它“活蹦乱跳”。通过一体化设计，让减重不再是难题，综合电子关键技术的攻关，让轨道器公共资源的利用率大大提升，身轻如燕的轨道器可以张开双臂踏上奔月之路。
推迟发射：轨道器三年贮存
时间回溯至2017年，嫦娥五号轨道器团队厉兵秣马，却意外等来了贮存的消息——由于发射计划调整，探月三期任务推迟发射，轨道器随探测器总体转入贮存。2019年，经过一年的贮存，当轨道器团队再次整装待发时，发射再次推迟。
在嫦娥五号副总设计师查学雷的带领下，整个团队对轨道器开展全面深入的寿命分析，确保各个产品设计验证到位、过程风险受控。在3年的贮存期间，嫦娥五号经历5次加电自检，用沉甸甸的数据证明轨道器功能性能没有下降；经历多次发射窗口的变更与飞行程序的更改，团队成员对于每一个可能的发射窗口进行设计复核，制定详细的方案，确保随时执行发射任务。
同事们还记得，轨道器总体主任设计师赵晨成天追着能源的专家请教咨询，不断推翻又重新建立计算模型，一再细化各个飞行阶段整器供电功率的时间轴，反复推演每个可能的发射窗口的飞行程序所需的能源需求，拿出一份份经得起推敲的供电方案，只为一个目标，能量平衡——轨道器始终枕戈待旦，随时准备向月球进发。
【记者】 王诗堃 徐勉
【通讯员】 王玓瑭
【策划统筹】 张志超
【作者】 王诗堃 徐勉 张志超
