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分院|西安科技為“五妹”“繞、落、回”全過程護(hù)航

24日 ， 中國探月工程嫦娥家族的“五妹”——嫦娥五號探測器正式出征 。 中國航天科技集團(tuán)五院西安分院(簡稱“西安分院”)為嫦娥五號探測器研制了微波測距測速敏感器、測控天線、數(shù)傳子系統(tǒng)以及交會對接微波雷達(dá) ， 為探測器實(shí)現(xiàn)“繞、落、回”全程護(hù)航 。
在距離地球遙遠(yuǎn)的38萬公里之外 ， 如何讓嫦娥五號探測器“五妹”與地面建立順暢的聯(lián)系 ， 這就依靠西安分院研制的測控天線 。 在“五妹”的地月轉(zhuǎn)移、變軌環(huán)月的繞月階段 ， 動力下降、上升器的月面工作階段以及交會對接階段幾乎所有的工作模式中都需要使用測控天線與地球進(jìn)行測控通信 。 測控天線相當(dāng)于是“五妹”隨身攜帶的“手機(jī)” ， 與月球之間的測控通信主要依靠這部“手機(jī)”完成 。
西安分院為“五妹”裝備的“手機(jī)”不僅要考慮聽覺的范圍 ， 而且還要確保其不受周圍其他設(shè)備的干擾 。 因此 ， 設(shè)計(jì)人員對于測控天線在上升器上的布局做了充分的考慮 ， 保證其有效工作的同時(shí) ， 要求天線在旋轉(zhuǎn)180度范圍內(nèi)沒有遮擋 。 同時(shí) ， 設(shè)計(jì)人員還針對落月過程中的羽流影響等因素 ， 進(jìn)行了天線機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì) ， 確保了測控天線能夠在落月、月塵以及月球表面極端苛刻的環(huán)境下可靠地工作 。
在嫦娥五號探測器抵達(dá)月球軌道后 ， 著陸器將攜帶著上升器著陸于月球表面 。 能否安全著陸于月球表面是嫦娥五號探測器任務(wù)的關(guān)鍵一步 。 西安分院為嫦娥五號研制的微波測距測速敏感器相當(dāng)于在著陸器上安裝了一部“泊車?yán)走_(dá)” 。
“這部雷達(dá)在著陸器距離月球表面15公里的時(shí)候正式開始工作 ， 主要任務(wù)是測量著陸器與月球表面的距離以及著陸器下降的速度 ， 并快速向上升器的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)(GNC分系統(tǒng))提供速度和距離的信息 ， 以便于著陸器來判斷降落的落點(diǎn)和速度 。 ”西安分院微波測距測速敏感器主任設(shè)計(jì)師張愛軍說 。 微波測距測速敏感器將極大方便“五妹”控制身姿順利“泊車” 。
探月之旅 ， 拍照必不可少 。 “五妹”所攜帶的相機(jī)拍攝的照片如何及時(shí)地傳回地面 ， 這就需要西安分院為嫦娥五號探測器研制的數(shù)傳子系統(tǒng) 。 在著陸器準(zhǔn)備著陸月球表面的時(shí)候 ， 數(shù)傳子系統(tǒng)就開始開機(jī)工作 。 它會將安裝在著陸器上的相機(jī)拍攝的著陸畫面以及數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳回地面 ， 以便于地面對落月的信息進(jìn)行及時(shí)判斷 。 在著陸器成功著陸月球表面后 ， 安裝在著陸器上的數(shù)傳子系統(tǒng)會將月面工作段的采樣圖像、采樣鉆取的科學(xué)數(shù)據(jù)以及上升器起飛等過程的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?， 為任務(wù)的順利推進(jìn)提供決策參考 。
“為了提升數(shù)據(jù)傳輸效率 ， 西安分院設(shè)計(jì)了自適應(yīng)三檔調(diào)節(jié)的方式 ， 相當(dāng)于為數(shù)據(jù)傳輸安裝了三檔‘閘門’ ， 在傳輸高峰期的時(shí)候使用數(shù)據(jù)量較小的傳輸方式 ， 數(shù)傳子系統(tǒng)從500k到5M的數(shù)據(jù)率都可以進(jìn)行傳輸 。 按照最大傳輸速率來算 ， 那么單純傳輸一張5M的照片則只需要一秒鐘 。 ”數(shù)傳子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師張競說 。
此次為“五妹”配備的數(shù)傳子系統(tǒng)從功能上與嫦娥四號相當(dāng) ， 但是通過集成和小型化設(shè)計(jì)從重量和體積上對“五妹”進(jìn)行了極大的“瘦身” 。 嫦娥四號數(shù)傳子系統(tǒng)的重量為8公斤 ， 而嫦娥五號數(shù)傳子系統(tǒng)只有3.5公斤 。
上升器采集的月面樣本 ， 如何成功交付給返回器并順利帶回地球 ， 就必須通過交會對接這一復(fù)雜的“神操作”才能完成 。 西安分院研制的交會對接微波雷達(dá)就是為距離地球38萬公里外的“穿針引線”式的交會對接而設(shè)計(jì)的 。 交會對接微波雷達(dá)相當(dāng)于為太空的“穿針引線”瞄“針眼” 。
【分院|西安科技為“五妹”“繞、落、回”全過程護(hù)航】當(dāng)上升器攜帶著月壤樣品返回環(huán)月軌道后 ， 軌道器對上升器實(shí)施追蹤 。 在追蹤至100公里范圍內(nèi)的時(shí)候 ， 交會對接微波雷達(dá)開始工作 。 由西安分院研制的交會對接微波雷達(dá)可以測量兩個(gè)飛行器之間的相對距離、方位、俯仰角度及其變化 。 這些數(shù)據(jù)信息都會源源不斷地向軌道器的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)(GNC分系統(tǒng))這個(gè)中央處理器發(fā)送 ， 為兩器的交會對接提供實(shí)時(shí)的信息 。 除了通過測距、測速和測角為太空“穿針引線”瞄“針眼”之外 ， 交會對接微波雷達(dá)還可以實(shí)現(xiàn)兩器之間的通信 。 從兩器相距100公里之間建立通信鏈路一直到兩器相距0.2米的范圍內(nèi) ， 可以實(shí)現(xiàn)軌道器和上升器之間的雙向通信 ， 包括指令等一些信息都要通過器間的雙向通信來實(shí)現(xiàn) 。 (完)

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