作者:何静 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/24 15:21:19
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5朵金花妆扮“嫦娥”
中科院上海分院助力嫦娥五号探月

 

 
长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,嫦娥五号探测器踏上奔月之旅(国家航天局供图)
 
11月24日4时30分,我国在中国文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约2200秒后,顺利将探测器送入预定轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。
 
国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇表示,嫦娥五号任务有望创造5个“中国首次”,即“首次地外天体的采样与封装、首次地外天体的起飞、首次月球轨道交会对接、首次携带样品高速地球再入、首次样品的存储、分析和研究。
 
中科院上海分院“五朵金花”——中科院上海天文台、中科院上海技物所、中科院上海光机所、中科院上海有机所和中科院上海硅酸盐所再次拿出各自法宝,助力嫦娥五号此次探月之旅。
 
VLBI测轨分系统为嫦娥五号探测任务保驾护航
 
作为探月工程测控与回收系统的重要组成部分,中科院上海天文台牵头的中国甚长基线干涉测量(VLBI)网将与现有航天测控网,共同完成嫦娥五号探测器各飞行段的测定轨及定位任务。
 
VLBI是一项高精度测角技术,在月球与深空探测器快速、高精度定轨和定位方面,有着不可或缺的重要作用。我国的VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心(VLBI中心)组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜,测角精度可以达到百分之几角秒。
 
在嫦娥五号任务中,VLBI将参与探测器地月转移段、近月制动段、环月飞行段、着陆下降段、月面工作段、动力上升段、交会对接段、环月等待段和月地转移段等9个飞行段探测器的相对差分单项测距(ΔDOR)测量及探测器的轨道确定和预报;确定月面着陆点及月面起飞点的精确坐标,轨道器与上升器交会对接远程导引,月地转移段的轨道器与返回器分离点预报等。
 
为完成月球距离交会对接段的轨道器与上升器的动态双目标精确测量,VLBI采用了新的动态双目标同波束测量方式,VLBI中心采用全新设计的动态双目标数据处理与测定轨系统,观测站配置了新型多比特记录传输一体化VLBI终端。在任务前,利用VLBI仿真数据,演练了从月面起飞到交会对接过程的VLBI测量关键步骤,为嫦娥五号的VLBI测轨定位工作做了充分的准备。
 
在本次任务中,VLBI测轨分系统通过技术创新,不断提高测定轨技术能力,将在后续的三个多星期时间里,日月伴随嫦娥五号,为其艰辛的旅程保驾护航,努力为嫦娥五号的圆满成功及我国首次月面采样返回做出应有的贡献。
 
上海天文台VLBI深空探测指挥中心_副本.jpg
 
中科院上海天文台VLBI中心
 
光电载荷助力嫦娥五号开展月球采样返回任务
 
中科院上海技物所负责研制嫦娥五号月球矿物光谱分析仪、激光测距测速敏感器和激光三维成像敏感器。月球矿物光谱分析仪是探测器有效载荷之一,将对月球表面着陆采样区进行光谱探测和矿物组成分布分析。激光测距测速敏感器、激光三维成像敏感器是姿态控制(GNC)分系统的重要单机,是探测器能够成功软着陆月球表面的重要技术保障。激光测距测速敏感器将在探测器着陆月面时提供远程距离和速度信息,有望实现国际首次在月球探测器软着陆阶段使用激光多普勒测速技术进行三个正交方向速度测量。激光三维成像敏感器将在探测器悬停时提供月面着陆区的精确三维图像。
 
上海技物所研制嫦娥五号月球矿物光谱分析仪(上海技物所供图).jpg
 
嫦娥五号月球矿物光谱分析仪(中科院上海技物所供图)
 
科研人员调试月球矿物光谱分析仪(上海技物所供图)_副本.jpg
 
科研人员调试月球矿物光谱分析仪(中科院上海技物所供图)
 
中科院上海光机所承担了两个系统中的核心组件——三台激光器的研制。在承担嫦娥三号、四号相关工作的基础上,嫦娥五号上有两款激光器实现了技术继承和升级:测距模块用激光器从环月阶段开始工作,通过大能量、窄脉宽激光来测量着陆器和月面的距离;三维成像敏感器激光器是在着陆器悬停时,利用高重频、窄脉宽脉冲激光瞬时对月面实施高精度三维成像,为选择精确的着陆点提供依据;激光器在减重20%的同时,满足了嫦娥五号更苛刻的振动力学要求。为了让嫦娥五号着陆更加平稳,首次在着陆器上增加了测速模块,中科院上海光机所设计了首个在着陆器上使用的窄线宽光纤激光器,实现了窄线宽(kHz量级)、低强度噪声的激光输出,从落月阶段开始工作,通过探测激光回波的频率信息来测量着陆器相对月面的速度,实现了空间应用系统从能量探测模式向频率探测模式的开拓。三款激光器从远至近陆续开启,从继承到开拓,为嫦娥五号任务的顺利完成提供强有力支撑,为国家的深空探测和空间科学做出贡献。
 
激光测距测速敏感器测距模块激光器(上海光机所供图).jpg
 
激光测距测速敏感器测距模块激光器(中科院上海光机所供图)
 
多项关键材料保障“嫦娥五号”探测器可靠运行
 
中科院上海有机所研制的陀螺仪专用浮液和有机热控涂层,在这次航天任务中,保证了嫦娥系列探测器的可靠运行。液浮陀螺仪是惯性导航系统中应用极为广泛的一种陀螺仪,具有精度高、可靠性高、环境适应能力强等优点,适用于飞机、航天器、空间站等的导航和航姿系统中。有机热控涂层就像能调控温度的”衣服“穿在航天器和仪器的外表面。在嫦娥系列探测器上,同样使用了上海有机所研制生产的有机热控涂层,这些涂层为航天器的正常工作温度环境保驾护航。中科院上海有机所是我国研制及批量生产高比重,高粘度,陀螺专用氟油的重要单位,同时也是我国系统研制有机热控涂层的重要单位。值得一提的是,有机热控涂层研制组是上世纪六十年代为满足我国第一颗人造卫星“东方红一号”研制而成立的。
 
 
 
应用于航天器天线部件的有机温控涂层(上海有机所供图)
 
在此次航天任务中,中科院上海硅酸盐所承担了热控涂层、高温抗氧化涂层、高温隔热屏、发动机包覆材料、柔性薄膜热控涂层及组件、耐烧蚀天线透波窗,以及大尺寸二氧化碲晶体、压电陶瓷等关键材料的研制。
 
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用于驱动嫦娥五号月球矿物光谱分析仪二维指向机构的超声电机用压电陶瓷(中科院上海硅酸盐所供图)
 
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