張玉花，梅 海，趙 晨，袁 勇，禹 志，查學(xué)雷，丁同才，胡震宇，李天義，陳 輝

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

探月工程三期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月球無人采樣返回，采用月球軌道交會(huì)對(duì)接方案。探測(cè)器系統(tǒng)由軌道器、著陸器、上升器和返回器四器組成，依次完成運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月運(yùn)行、動(dòng)力下降與月面著陸、月面工作、月面上升、交會(huì)對(duì)接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等11 個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)采樣返回。

嫦娥五號(hào)軌道器作為探測(cè)器的重要組成部分，承擔(dān)了探測(cè)器11 個(gè)階段任務(wù)中的8 個(gè)。主要包括：地球軌道與環(huán)月軌道之間往返運(yùn)輸、環(huán)月交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移等任務(wù)，攜帶著陸上升組合體（著陸器與上升器，下同）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，與著陸上升組合體分離；攜帶返回器留軌；與從月面起飛、進(jìn)入環(huán)月軌道的上升器主動(dòng)交會(huì)對(duì)接；將上升器攜帶的樣品容器轉(zhuǎn)移至返回器后，與上升器分離；攜帶返回器進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，在距離地球5 000 km 處將返回器分離，并保證其再入初始條件。軌道器具備大承載、高機(jī)動(dòng)、輕量化等特點(diǎn)。本文介紹了嫦娥五號(hào)軌道器的任務(wù)、總體方案、主要技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)以及大型試驗(yàn)與專項(xiàng)試驗(yàn)等。

1 軌道器概述

1.1 國外軌道器技術(shù)發(fā)展情況

目前國外尚無與嫦娥五號(hào)軌道器功能類似的飛行器，同樣完成月球采樣返回任務(wù)的有美國和蘇聯(lián)在20 世紀(jì)60 年代和70 年代分別執(zhí)行過的載人登月采樣返回和無人月球采樣返回任務(wù)。自1969 年Apollo 11 任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)載人登月采樣返回以來，美國共執(zhí)行了6 次載人登月任務(wù)，將12 名宇航員送到了月球表面，共返回了約382 kg 的月球樣品［1-6］。Apollo 載人登月飛船主要包括指令服務(wù)艙（Com?mand Service Module，CSM）和登月艙（Lunar Mod?ule，LM）兩大部分，如圖1 和圖2 所示。

圖1 Apollo 指令服務(wù)艙Fig.1 Apollo command service module

圖2 Apollo 登月艙Fig.2 Apollo lunar module

蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)了3 次月球無人采樣返回任務(wù)，分別是Luna 16（1970 年）、Luna 20（1972 年）和Luna 24（1976 年），共獲得約380 g 月球樣品［7-11］。蘇聯(lián)的3 次無人采樣返回任務(wù)中探測(cè)器系統(tǒng)基本相同，僅采樣點(diǎn)和采樣裝置稍有差異，其中Luna 16 探測(cè)器的外觀如圖3 所示。

圖3 Luna 16 探測(cè)器Fig.3 Luna 16 probe

Apollo 指令服務(wù)艙與軌道器任務(wù)模式比較相近，均為完成地月往返運(yùn)輸和月球軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)，但其為載人任務(wù)，飛行器規(guī)模大一個(gè)量級(jí)且交會(huì)對(duì)接等過程有人參與，對(duì)自主性的要求較低。Luna 16 雖同為無人月球采樣返回任務(wù)，但其采用直接采樣返回方式，著陸器直接奔月、制動(dòng)，上升器月面起飛、返回，無月球軌道交會(huì)對(duì)接環(huán)節(jié)。

1.2 方案簡(jiǎn)介

嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)由軌道器、著陸器、上升器和返回器四器組成，如圖4 所示。軌道器分為支撐艙、對(duì)接艙、推進(jìn)儀器艙，如圖5 所示。支撐艙為截錐體，前端框與著陸器連接；對(duì)接艙安裝對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、交會(huì)對(duì)接敏感器等；推進(jìn)儀器艙安裝推進(jìn)系統(tǒng)和大部分電子儀器設(shè)備，通過火工鎖與返回器連接，通過后端框與運(yùn)載火箭連接。軌道器系統(tǒng)組成包括結(jié)構(gòu)、太陽翼與機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、推進(jìn)、制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）、綜合電子、電源、總體電路、測(cè)控?cái)?shù)傳、工程圖像與測(cè)量、天線、熱控、對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移13 個(gè)分系統(tǒng)，如圖6 所示，其采用分區(qū)域管理的分布式綜合電子方案，實(shí)現(xiàn)整器遙測(cè)、遙控、程序控制、配電、火工品控制、推進(jìn)控制、加熱熱控及電機(jī)控制功能。

圖4 探測(cè)器系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Diagram of probe system

圖5 軌道器構(gòu)型圖Fig.5 Configuration of orbiter

軌道器具備以下主要功能：

1）交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移功能。探月工程三期的主要任務(wù)為月球采樣返回，軌道器的主要任務(wù)之一是作為主動(dòng)飛行器在環(huán)月軌道上與上升器進(jìn)行交會(huì)，采用對(duì)接機(jī)構(gòu)完成上升器的捕獲與對(duì)接，并通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將上升器攜帶的月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。

2）連接解鎖與分離功能。軌道器在全任務(wù)過程中，涉及5 次分離任務(wù)，其中3 次分離任務(wù)由軌道器負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

圖6 軌道器分系統(tǒng)組成Fig.6 Subsystems of orbiter

3）器間供電與信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。四器組合體狀態(tài)下，具備向著陸上升組合體提供電源的能力；軌道器與著陸上升組合體測(cè)控互為備份，互相轉(zhuǎn)發(fā)各類遙控指令、注入數(shù)據(jù)、遙測(cè)數(shù)據(jù)。自軌道器轉(zhuǎn)內(nèi)電至與返回器分離前，軌道器向返回器提供電源；向返回器轉(zhuǎn)發(fā)各類遙控指令和注入數(shù)據(jù)，接收返回器的遙測(cè)數(shù)據(jù)并下行。

4）四器承載功能。軌道器位于探測(cè)器系統(tǒng)的最底端，在主動(dòng)段除承載自身的質(zhì)量載荷外，還需要承載其他3 個(gè)器的質(zhì)量載荷。

5）飛行器平臺(tái)功能。軌道器還需要提供常規(guī)飛行器的基本功能，構(gòu)型以及設(shè)備安裝平臺(tái)功能，提供姿態(tài)與軌道機(jī)動(dòng)的推力或沖量功能、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制功能、中央控制與數(shù)據(jù)管理功能、供配電功能、測(cè)控?cái)?shù)傳功能、對(duì)地定向測(cè)控功能以及熱控功能等。

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

作為地月往返軌道運(yùn)輸器，嫦娥五號(hào)軌道器具有如下主要特點(diǎn)：1）首次完成月球軌道無人交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)。2）平臺(tái)自身干質(zhì)量小于1 190 kg，總質(zhì)量4 110 kg，同時(shí)需承載著陸器、上升器和返回器共4 090 kg 質(zhì)量，是大承載、輕量化的平臺(tái)。3）總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)適應(yīng)交會(huì)、對(duì)接、多次分離等復(fù)合型深空探測(cè)任務(wù)的需要。4）采用模塊化分布式信息一體化總體技術(shù)。

2 技術(shù)創(chuàng)新及驗(yàn)證

2.1 首次月球軌道無人對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移

軌道器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)有如下特點(diǎn)：1）無人參與，對(duì)自主性要求更高。2）對(duì)接的兩個(gè)飛行器間質(zhì)量的比值較大，導(dǎo)致對(duì)接動(dòng)力學(xué)中的等效質(zhì)量很小，用碰撞式對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)捕獲困難很大，宜采用弱撞擊式對(duì)接機(jī)構(gòu)。3）相對(duì)地球軌道探測(cè)器，嫦娥五號(hào)軌道器重量受到更加嚴(yán)格的限制。4）無人樣品轉(zhuǎn)移由軌道器為主，上升器、返回器協(xié)同，三器配合完成，接口界面復(fù)雜。

對(duì)接功能是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行后續(xù)其他任務(wù)的基礎(chǔ)，要求系統(tǒng)能將滿足對(duì)接初始條件的兩個(gè)飛行器進(jìn)行精確的定位和可靠的連接，建立能夠滿足樣品容器自動(dòng)轉(zhuǎn)移的高精度樣品轉(zhuǎn)移通道，同時(shí)滿足主被動(dòng)飛行器聯(lián)合飛行的任務(wù)需求［12-14］。樣品容器自動(dòng)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)功能是探月三期任務(wù)特定的環(huán)節(jié)，需要在兩個(gè)飛行器之間建立樣品轉(zhuǎn)移通道，完成無人樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)。

當(dāng)軌道器具備對(duì)接初始條件后，對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)順序自主執(zhí)行對(duì)接捕獲、校正、緩沖、拉緊一系列動(dòng)作，完成軌道器與上升器的對(duì)接，形成軌返組合體與上升器之間的剛性連接。對(duì)接機(jī)構(gòu)采用抱爪式弱撞擊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，其工作原理是通過可以相互抱合的三個(gè)抱爪式捕獲鎖緊機(jī)構(gòu)，對(duì)三個(gè)被動(dòng)鎖柄主動(dòng)實(shí)現(xiàn)捕獲，并完成校正、緩沖和鎖緊等功能。其構(gòu)型如圖7 所示，其中主動(dòng)件安裝在軌道器上，被動(dòng)件安裝在上升器上，包括抱爪式捕獲鎖緊機(jī)構(gòu)與相互配合的鎖柄結(jié)構(gòu)等。

樣品轉(zhuǎn)移采用2 套連桿棘爪轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，安裝在對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主動(dòng)件框體。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，絲杠運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿組件伸展，捕獲樣品容器，然后連桿組件收攏，在兩側(cè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的輔助下進(jìn)行樣品容器轉(zhuǎn)移，通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中的棘爪機(jī)構(gòu)交替抓取和釋放，可保證樣品容器轉(zhuǎn)移到指定位置。轉(zhuǎn)移到位后，機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)位置，其工作原理如圖8 所示。

圖7 對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案Fig.7 Docking and sample transferring mechanism system

圖8 連桿棘爪轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作原理Fig.8 Working principle of linkage &pawl mechanism

2.2 大承載、高機(jī)動(dòng)、輕量化運(yùn)輸平臺(tái)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

軌道器作為一個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)，在大承載、高機(jī)動(dòng)、輕量化方面主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）軌道器位于探測(cè)器四器的最下端，與運(yùn)載火箭連接，承受整個(gè)探測(cè)器8 t 的載荷。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，軌道器采用支撐艙+外承力筒+承力球冠的構(gòu)型方案。軌道器結(jié)構(gòu)由支撐艙結(jié)構(gòu)、對(duì)接艙結(jié)構(gòu)、推進(jìn)儀器艙結(jié)構(gòu)及返回器轉(zhuǎn)接環(huán)4 個(gè)產(chǎn)品組成。其中，推進(jìn)儀器艙結(jié)構(gòu)又分為筒段、儀器圓盤、中間框、安裝倒錐、十字隔板和承力球冠。軌道器結(jié)構(gòu)組成如圖9 所示，承力球冠及貯箱如圖10 所示。

圖9 結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)產(chǎn)品組成Fig.9 Composition of structure subsystem products

圖10 承力球冠及貯箱Fig.10 Bearing spherical cap &tank

該方案采用2 條傳力路徑設(shè)計(jì)，使大質(zhì)量集中載荷分別通過最短的傳力路徑傳遞至運(yùn)載對(duì)接面，有效地降低了整器質(zhì)心高度，保證了探測(cè)器系統(tǒng)四器串聯(lián)狀態(tài)下的縱向模態(tài)基頻及橫向模態(tài)基頻。

2）軌道器完成近月制動(dòng)、交會(huì)對(duì)接、離月加速等變軌環(huán)節(jié)，平臺(tái)最多可裝填3 000 kg 的推進(jìn)劑并配置3 000 N 發(fā)動(dòng)機(jī)作為主發(fā)動(dòng)機(jī)，不同任務(wù)階段攜帶不同載荷，共提供約2 025 m/s 的速度增量，具備較高的軌道機(jī)動(dòng)能力；

3）在承載8 200 kg 質(zhì)量的情況下，干質(zhì)比約25%，對(duì)輕量化要求很高。采取多項(xiàng)措施控制平臺(tái)自身干重，包括采用外承力筒構(gòu)型、鋁蜂窩預(yù)埋梁筒段和復(fù)合材料承力球冠主結(jié)構(gòu)、表面張力貯箱、模塊化分布式綜合電子系統(tǒng)等。

2.3 適應(yīng)交會(huì)對(duì)接多次分離的總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)技術(shù)

軌道器具有三種不同類型的任務(wù)，每種任務(wù)都對(duì)總體構(gòu)型布局提出不同的需求：1）變軌任務(wù)，包括近月制動(dòng)、月球軌道交會(huì)、離月加速等，特別是交會(huì)任務(wù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的布局提出了復(fù)雜、苛刻的需求；2）交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)，交會(huì)任務(wù)的交會(huì)敏感器對(duì)布局位置、相對(duì)關(guān)系、視場(chǎng)都有要求，對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)只能布置在飛行器軸向的最前端；3）分離任務(wù)，軌道器涉及5 次分離任務(wù)，構(gòu)型布局須考慮分離過程碰撞安全性、分離時(shí)刻質(zhì)量特性等［15-16］。

結(jié)合以上任務(wù)特征，軌道器采用自上而下分別為支撐艙、對(duì)接艙和推進(jìn)儀器艙的分艙布局方案，其內(nèi)部布局如圖11 所示。

圖11 軌道器布局Fig.11 Layout of orbiter

支撐艙用來承載著陸上升組合體的質(zhì)量，并布置熱敏電阻、艙段間電纜。對(duì)接艙安裝對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)件、樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、交會(huì)敏感器等設(shè)備。其中，對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主動(dòng)件布置在對(duì)接艙中心的最前端，可以實(shí)現(xiàn)兩器軸向?qū)硬⒈ＷC對(duì)接過程中的干擾最小。推進(jìn)儀器艙以儀器圓盤為大致分界面，上下分別為儀器艙和推進(jìn)艙。儀器艙艙內(nèi)安裝大部分的電子設(shè)備，推進(jìn)艙艙內(nèi)主要布局推進(jìn)分系統(tǒng)的設(shè)備。推進(jìn)儀器艙艙外布局太陽翼、測(cè)控天線、3 000 N 發(fā)動(dòng)機(jī)及姿軌控推力器、GNC 敏感器和監(jiān)視設(shè)備。返回器位于軌道器內(nèi)部，艙門朝向?qū)优c樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方向便于樣品轉(zhuǎn)移，軸心與軌道器軸心重合，且使分離對(duì)飛行器的姿態(tài)干擾較小。

2.4 模塊化分布式信息一體化總體技術(shù)

軌道器信息功能主要包括天地測(cè)控與通信功能、軌道器內(nèi)部信息管理功能，以及器間信息傳輸功能。為優(yōu)化和加強(qiáng)整器電子功能，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，形成綜合電子分系統(tǒng)。在一體化設(shè)計(jì)中，充分地整合了以往分散在各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的需求。包含了總線、遙控、遙測(cè)、數(shù)傳、器上時(shí)統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、熱控管理、機(jī)構(gòu)控制、推進(jìn)控制管理、配電及火工品管理設(shè)計(jì)等。

在設(shè)計(jì)上突破傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)管的設(shè)計(jì)思路，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）合理規(guī)劃系統(tǒng)，構(gòu)建分布式系統(tǒng)框架，對(duì)軌道器實(shí)施與分艙設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的分區(qū)管理，以適應(yīng)軌道器結(jié)構(gòu)體積大、電子功能復(fù)雜的特點(diǎn)。將4 個(gè)單機(jī)根據(jù)任務(wù)需求布置在不同的位置。系統(tǒng)綜合管理單元（System Management Unit，SMU）和數(shù)據(jù)綜合接口單元（Data Interface Unit，DIU）布置在儀器圓盤，并基本成180°分布，負(fù)責(zé)儀器圓盤上軌道器大部分電子設(shè)備的管理；對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移綜合管理單元（Docking and sample transferring Management Unit，DMU）布置在對(duì)接艙，負(fù)責(zé)對(duì)接艙設(shè)備的管理；推進(jìn)艙綜合管理單元（Propulsion Equipment Unit，PEU）布置在承力球冠頂部，與推進(jìn)設(shè)備距離最近，負(fù)責(zé)相關(guān)管理，如圖12 所示。

2）單機(jī)配置模塊化。4 臺(tái)單機(jī)的相同功能的模塊采用模塊化統(tǒng)一設(shè)計(jì)，組批生產(chǎn)方式。

3）注重體系結(jié)構(gòu)的開放性。采用分層設(shè)計(jì)，以適應(yīng)任務(wù)變化而導(dǎo)致局部更改的問題；在接口上，考慮標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

圖12 綜合電子系統(tǒng)分布式布局示意圖Fig.12 Distributed layout diagram of integrated electronic system

3 主要大型試驗(yàn)及專項(xiàng)試驗(yàn)

軌道器整器級(jí)試驗(yàn)按常規(guī)試驗(yàn)、專項(xiàng)試驗(yàn)及貯存試驗(yàn)三條線展開，而專項(xiàng)試驗(yàn)又包括對(duì)接專項(xiàng)試驗(yàn)、樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合試驗(yàn)、分離專項(xiàng)試驗(yàn)和整器可靠性試驗(yàn)等。

3.1 常規(guī)試驗(yàn)

在初樣和正樣階段完成的常規(guī)試驗(yàn)主要有：軌道器桌面聯(lián)試，軌道器綜合測(cè)試ABC 階段，參加探測(cè)器系統(tǒng)各階段常規(guī)電測(cè)、電磁兼容性（Electro?magnetic Compatibility，EMC）試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、分離試驗(yàn)，參加探測(cè)器系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)等。

3.2 對(duì)接專項(xiàng)試驗(yàn)

驗(yàn)證對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)常溫常壓下的對(duì)接與轉(zhuǎn)移的性能和功能；驗(yàn)證對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在高低溫環(huán)境下的對(duì)接能力。對(duì)接機(jī)構(gòu)與樣品轉(zhuǎn)移分系統(tǒng)試驗(yàn)主要在整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)、對(duì)接性能試驗(yàn)臺(tái)、綜合試驗(yàn)臺(tái)、熱真空試驗(yàn)臺(tái)開展試驗(yàn)。

通過各項(xiàng)考核試驗(yàn)，軌道器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在各種環(huán)境條件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接前準(zhǔn)備、捕獲、校正和緩沖等對(duì)接功能。

3.3 樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合試驗(yàn)

由軌道器抓總負(fù)責(zé)，返回器、上升器參加，完成了樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合試驗(yàn)，其示意圖如圖13 所示。參試產(chǎn)品包括軌道器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移主動(dòng)件、DMU 鑒定件，上升器對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移被動(dòng)件，返回器樣品容器、樣品容器艙。轉(zhuǎn)移試驗(yàn)利用對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)整機(jī)特性測(cè)試臺(tái)，進(jìn)行垂直方向上的樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)。樣品轉(zhuǎn)移聯(lián)合專項(xiàng)試驗(yàn)達(dá)到了以下目的：1）驗(yàn)證了樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)相關(guān)的各產(chǎn)品，例如對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主動(dòng)件、對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)被動(dòng)件、密封封裝裝置（簡(jiǎn)稱樣品容器）、樣品容器艙、對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移綜合管理單元（DMU）等之間接口的正確性、匹配性、協(xié)調(diào)性；2）驗(yàn)證了在規(guī)定的主動(dòng)件中心與樣品艙中心之間偏差及負(fù)載條件下，樣品轉(zhuǎn)移能力滿足要求；3）模擬各產(chǎn)品在軌可能出現(xiàn)的故障情況，對(duì)各類故障應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行演練，為在軌故障對(duì)策的制定提供依據(jù)。

圖13 樣品轉(zhuǎn)移試驗(yàn)示意圖Fig.13 Diagram of sample transfer experiment

3.4 分離專項(xiàng)試驗(yàn)

分離系統(tǒng)進(jìn)行了常溫和高低溫環(huán)境下專項(xiàng)分離試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)器力學(xué)試驗(yàn)后分離試驗(yàn)。分離機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)常溫分離試驗(yàn)考核了常溫環(huán)境下3 個(gè)分離面基本的分離功能和分離參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，軌道器常溫環(huán)境下分離機(jī)構(gòu)功能正常，分離速度滿足指標(biāo)要求。分離機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)高低溫分離試驗(yàn)考核了軌道器分離面高低溫環(huán)境下的解鎖分離功能，驗(yàn)證了高低溫環(huán)境下端框變形對(duì)分離功能無影響。結(jié)構(gòu)器在完成力學(xué)試驗(yàn)后，開展了分離試驗(yàn)，驗(yàn)證了經(jīng)歷鑒定級(jí)力學(xué)試驗(yàn)環(huán)境后，分離系統(tǒng)產(chǎn)品功能性能正常。

3.5 整器可靠性試驗(yàn)

正樣階段，利用初樣鑒定件搭建整器級(jí)可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證軟件、程控流程、機(jī)構(gòu)控制可靠性；考核整器的電氣接口匹配性和故障模式下的可靠性是否符合任務(wù)要求；為正樣測(cè)試時(shí)提供故障模擬與解決方案測(cè)試平臺(tái)。主要包括時(shí)間策略、切機(jī)策略、故障測(cè)試、軟件強(qiáng)度測(cè)試、機(jī)構(gòu)控制功能聯(lián)合測(cè)試。可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證了軟件可靠性、電氣系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)之間接口的匹配性和可靠性，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

3.6 貯存試驗(yàn)

由于運(yùn)載火箭原因，發(fā)射推遲后，嫦娥五號(hào)軌道器總體及各分系統(tǒng)就長期貯存對(duì)軌道器的影響進(jìn)行了充分分析，確認(rèn)產(chǎn)品滿足貯存要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行貯存［17-20］。自進(jìn)入貯存狀態(tài)起，每3 個(gè)月進(jìn)行一次自檢測(cè)試，以定期檢測(cè)貯存產(chǎn)品的健康狀態(tài)。

主要測(cè)試驗(yàn)證情況如下：1）貯存前后對(duì)產(chǎn)品外觀進(jìn)行了全面的檢查，直接證明軌道器結(jié)構(gòu)、熱控等分系統(tǒng)產(chǎn)品外觀正常，無形變、銹蝕等現(xiàn)象。2）開展2 年貯存期限、5 年貯存期限貯存后發(fā)火試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證分離分系統(tǒng)雙作動(dòng)分離螺母狀態(tài)良好。3）貯存期間電測(cè)，對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行自檢，證明各分系統(tǒng)功能正常，主要性能正常。4）天線、太陽翼及鋰離子蓄電池等單獨(dú)貯存產(chǎn)品按期開展自檢，各項(xiàng)功能指標(biāo)正常。5）貯存期間共完成5 次精測(cè)，驗(yàn)證了主結(jié)構(gòu)在貯存期間未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，穩(wěn)定性良好；完成2 次檢漏，驗(yàn)證推進(jìn)系統(tǒng)健康狀態(tài)。

通過外觀、電性能、機(jī)構(gòu)性能的定期專項(xiàng)測(cè)試，驗(yàn)證嫦娥五號(hào)軌道器貯存后產(chǎn)品健康狀態(tài)良好。

4 我國探月軌道器的后續(xù)發(fā)展展望

4.1 近期任務(wù)

我國后續(xù)探月軌道器的目標(biāo)是根據(jù)任務(wù)和有效載荷的需求，對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足月球科學(xué)探測(cè)有效載荷對(duì)高姿態(tài)控制精度、高功率電源和高速率數(shù)傳通信能力的需求。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，軌道器可以配置以下科學(xué)載荷，開展相對(duì)應(yīng)的環(huán)月科學(xué)探測(cè)任務(wù)：1）配置詳查相機(jī)、激光高度計(jì)、成像雷達(dá)，獲取月面特別是永久性陰影區(qū)高精度地形地貌數(shù)據(jù)。2）配置月面礦物及熱環(huán)境光譜儀，獲取月面高精度礦物組分和月表熱環(huán)境數(shù)據(jù)。3）配置中子譜儀，獲取全月面高精度伽馬射線能譜數(shù)據(jù)。

4.2 遠(yuǎn)期展望

根據(jù)國外月球探測(cè)器和整個(gè)空間飛行器領(lǐng)域發(fā)展情況，我國月球軌道器技術(shù)在以下3 個(gè)方面可以進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)未來任務(wù)需求。

1）高效推進(jìn)技術(shù)。對(duì)于以運(yùn)輸能力為主要考核指標(biāo)的航天器來說，改進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，提高運(yùn)輸能力是最主要改進(jìn)方向。目前軌道器采用的是常規(guī)液體推進(jìn)劑推進(jìn)技術(shù)，后續(xù)可考慮采用比沖更高的低溫推進(jìn)技術(shù)和電推進(jìn)技術(shù)［21-22］。

2）高效承載技術(shù)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步挖掘結(jié)構(gòu)的承載能力，攜帶更多的有效載荷，并適應(yīng)不同有效載荷對(duì)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的安裝需求［23］。

3）在軌服務(wù)技術(shù)。在目前月球軌道對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展在軌操控服務(wù)技術(shù)。滿足后續(xù)月球探測(cè)器和月球載人空間站在軌維修、推進(jìn)劑補(bǔ)加等任務(wù)需求［24］。

5 結(jié)束語

嫦娥五號(hào)軌道器的成功研制，標(biāo)志著我國具備了研制大承載地月軌道運(yùn)輸器的能力。軌道器首次使用的無人月球軌道交會(huì)對(duì)接及樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)，為我國后續(xù)的無人月球探測(cè)及載人月球探測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐?；阪隙鹞逄?hào)軌道器所打造的大承載、高機(jī)動(dòng)、輕量化運(yùn)輸平臺(tái)，具備多次分離的特征，為我國后續(xù)的月球探測(cè)及深空探測(cè)任務(wù)提供了更多的平臺(tái)選擇。基于軌道器所采用的模塊化分布式信息一體化總體技術(shù)，在滿足信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，其分布式、一體化的技術(shù)特點(diǎn)，為后續(xù)的平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了可供借鑒的思路。