图片提供/ 中国航天科技集团八院

上图：张玉花从载人航天领域转向陌生的探月工程，担任副总设计师、副总指挥，开启了上海嫦娥团队的探月之旅。

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。

记者｜陈　冰

“白兔捣药秋复春，嫦娥孤栖与谁邻”“嫦娥应悔偷灵药，碧海青天夜夜心”……自古以来，描写嫦娥的诗词便是不胜枚举。中秋时节，花好月圆，人们仰望星空，有了神话故事的渲染，遥远的月亮似乎也变得更加神秘。

如今，神话传说变成了现实，“嫦娥” 真的奔月了，而月亮也正在逐步揭开它的神秘面纱。

11 月24 日4 时30 分， 体重800 多吨的“胖五”——长征五号运载火箭成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道，在38 万公里之外，完成中国航天史上“最复杂的任务”，上演了一出月宫取宝、环月对接、太空投递的壮举。

正所谓“长五遥五送嫦五，冬月奔月去探月”。

“太空邮差”是怎么炼成的？

位于上海的中国航天科技集团有限公司八院承担了长征五号助推器和嫦娥五号轨道器的研制任务。4 个助推器提供了长征五号起飞90%的推力。轨道器作为主动飞行器将承担地月往返运输、月球轨道交会对接、样品容器转移等任务。

作为贯穿任务全过程的核心产品，轨道器是名副其实的“太空邮差”，它将在相距38 万公里的地球和月球之间，构建起一条太空“物流”的特殊通道，既承担地月往返运输的任务，将乘客安全地送往目的地，同时又要在太空中稳妥地完成货品的“接收”“装箱”，将珍贵的月壤投送回蓝色星球。

“在整个任务过程中，轨道器在轨共有5 次分离，6 种组合体状态，承担地月往返运输、器间分离、交会对接与样品转移等关键任务，是目前最复杂的空间飞行器之一。”中国航天科技集团八院嫦娥五号探测器副总设计师查学雷介绍。针对整个任务飞行状态多、器间接口多、工作模式多、技术攻关难、地面验证难以及运载与发射场新“三多、两难、一新” 特点，研制团队突破了4 项关键技术。

嫦娥五号探测器由4 个部分组合而成，多器分工合作的状态造就了探测器在太空中不断分离- 组合-再分离- 再组合的变形过程，这在我国航天器中绝无仅有。而轨道器就拥有5 个分离面，既要保证组合状态下器与器连得稳固，同时又要确保分离过程的安全可靠，这是探测器研制的难点之一。

轨道器摒弃了传统的舱段间包带连接方式，创新采用多点高强度分离螺母进行连接，通过在各分离面配置不同数量的分离螺母以满足舱段间连接强度与刚度要求。同时双作动分离螺母包含两套解锁机构，其中任意一套动作就能确保分离面每一个分离点的可靠分离。连接稳固、分离可靠的连接解锁与分离关键技术，成就了嫦娥五号的从容飞天之旅。

嫦娥五号将在38 万公里外实施世界首次月球轨道自动无人交会对接与样品转移。对接机构中的运动位置精度和对中性是影响样品容器转移的关键，对接精度要求达到毫米级。为了解决这一难题，中国航天科技集团八院研制团队创造性地研制出了抱爪式对接机构，配合采用棘爪式转移机构，在自动无人交会对接的同时实现样品容器的自动转移，这一技术是世界首创，成就了嫦娥飞天采样返回中极为重要的一环。

“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。

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。”

38万公里之外“月宫之吻”

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。”

“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。”

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。

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。对于一个航天器而言，重量好比黄金，功耗好比白银，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。

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”，像金庸小说里最厉害的武林高手一般，“被一掌震破内脏心脉受损，但还能走能跳能听指挥”，当然小说里描写的这些不会真的发生于现实，但团队做的就是让它变成现实，打破常规的设计方略让资源统筹变可能，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。

为了做到身材比例的完美，轨道器首次使用大承载复杂构形轻量化结构；首次创新使用多次分离复杂构形；首次使用多冗余路径复合传力结构，首次采用大承载复合材料一体成形插层变厚度承力球冠技术等七项创新技术，结构质量比达到9.6%，仅仅46kg 的承力球冠能够承载3 吨贮箱，具备30 吨的极限承载能力，真正做到“鸡蛋壳上挂秤砣”。

通过积极创新设计，轨道器内有铮铮铁骨，外有完美身材，擎得起飞天梦想，稳得住每个动作，成就了可靠的飞天嫦娥。

十年问天路

自2011 年轨道器立项起，中国航天科技集团八院探月工程负责人张玉花就带领团队“白手起家”，展开了攻坚研制之旅。七年研制、三年贮存，嫦娥五号轨道器是张玉花探月之路上经历时间最长、研制最为艰苦的一个航天器。

从嫦娥三号、嫦娥四号再到嫦娥五号，张玉花一路走来，从无到有，带出了一个作风硬朗的探月队伍，一步一个脚印坚定地走向月球。他们不仅克服了人力资源和条件保障短缺的困难，还在贮存和延寿中经历磨练，在月球轨道首次无人交会对接、首次样品转移等一系列高超难度动作等关键技术上实现了突破。为中国航天壮举贡献了“上海力量”。

探月工程三期任务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。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。

2011 年，对接机构与样品转移分系统的研制拉开帷幕，团队成立之初只有8 个人，可参考的东西可以说只有“一页纸”。

轨道器副总师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。

轨道器和上升器在环月轨道满足交会对接初始条件时，要求控制器在收到抓捕指令后1 秒钟内控制抓捕机构完成抓捕，21 秒内实现两器刚性连接。眨个眼的工夫就要完成对接？还是在38 万公里外的月球？这可是创纪录、高难度的考验。

为验证方案样机的功能，团队提出了吊挂式对接试验方案。把方案“变现” 却只有短短的几个月的时间了，没有捷径退路。回想那段“不舍昼夜”的阶段，起初是黑沉沉的夜，然后晨光微微明亮起来。初样研制两年半的时间，迭代设计了3 连套图纸，研制了电性件、电测件、鉴定件等6 大件。

印象深刻的是鉴定件的力学试验，产品润滑采用溅射二硫化钼，这种特殊的镀膜材料对湿度极度敏感。在上海的黄梅天，一场不懂休息的雨就可以使外部环境湿度达到百分之九十以上。当时，振动厂房空调通宵轰鸣，50 小时轮番上阵试验不停，就怕空调突然“罢工”，就怕试验后的运输遇到“雨神”眷顾。不眠不休不只是为了保证计划节点，更是为了呵护产品。

“当时我们最需要的是方便面和一个整夜的觉。” 设计师刘洲回忆起那段岁月，只是云淡风轻地笑笑。如何突破一个个关键技术难题，如何从无到有建立起一套完备的对接与样品转移仿真系统与硬件测试系统，总结起来就是四个字，无所畏惧。对接与样品转移分系统现任主任设计师刘仲如是说。人力资源不够，就用加班充；地测设备不足，就自己研发；直至今日，已经没有任何困难可以阻挡他们的“孩子”在月球轨道大展风采。

2017年，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，却迎来第二次贮存的消息。面对两次发射推迟，整个探月团队沉默了，但沉默不意味着消沉，沉下心的是誓保成功的坚定信念。

既然为成功守候，那就逆流而上。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。团队每个人心里都有向往胜利的渴望，汇聚成砥砺前行的保成功力量，团队没有停止对任务的多维度思考，多层次的梳理，为的是成功。把状态控制做得严之又严，把飞控预案做得慎之又慎，把风险管控做得细之又细，已经扎根在每个人的心里；把操作测试做得稳妥可靠，把质量工作做得全面坚实，已经是每个人的标准。

“航天是人类不断向外探索的领域，我们要去的往往是原来还没到过的远方，所以代表了一种探索精神、创新精神，也代表着英雄情结。” 张玉花说，深空探测和月球探测本身就十分有价值，探索的过程就意味着人类好奇心的驱动和科技的进步。“干航天就得有跑长跑的劲儿，这个周期很长，每一秒都得咬着牙不能停。”