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探月工程是国家重大专项工程,探月三期技术跨度大、质量可靠性要求高,被认为是航天第四个里程碑,举世瞩目。嫦娥五号轨道器在探月三期任务中扮演着重要角色,负责地球与月球之间的往返。中国航天科技集团八院电子所承担了轨道器中的测控数传(含天线)和工程图像与测量2个分系统以及综合电子分系统中2台单机的研制任务。

电子所的产品架起了轨道器在地月之间的桥梁,获取轨道器关键任务环节中的图像,测量轨道器在器箭分离过程中关键部位力学特性参数,传递轨道器和地面站之间的信息,确保探测任务圆满完成,并为后续工作提供相应的“参考”。

减重3.6千克:每克重量比黄金还贵

月球探测距离达到40万公里,相比近地探测通信距离增加了十倍多,要完成携带月壤采集样本返回的功能,且火箭的承载能力有限,飞行器的“重量“就成了非常关键的性能指标要求。毫不夸张的说,减少1克的重量所付出的代价远比1克黄金还贵重。

工程图像与测量分系统肩负着探测器太阳翼天线展开、各次分离对接、月球采样样品容器转移等过程的监视任务,任务“多而繁杂”,要求“可识又可靠” ,又要实现“关键事件监视备份”。“要达到这样的任务,理论上至少需要13台摄像机才能满足任务需求。同时,为了对抗空间舱外恶劣环境及光照环境,必须采取合理有效的防护措施,如采用大遮光罩等,按传统的设计,镜头、电路板等机电热组合而成的一台摄像机,最轻的也要0.5千克左右。” 工程图像与测量分系统主任设计师吴红松介绍道。

面对“不可能”实现的重量要求,分系统从空间、时间双维度进行创新设计。在空间维度,研制团队通过设计建模进行场景重建,引入三维动画模拟仿真技术,通过“安装位置和视场角度”两个参数的多轮仿真迭代,最终确定了每个摄像机最小视场角和最优安装布局,保证单个摄像机至少可兼顾二个手型抱爪机构,且保证其中一个摄像机清晰监视月球样品容器转移全过程。“别小看这一个位置的确认,设备安装在梯形对接舱上,面对布局受限且安装面存在高度差的困难,付出了团队一年的心血。”回忆起那段奋斗的日子副主任设计师叶盛还是感慨万千。

在时间维度上,分系统团队逐一对各项监视任务进行分析,采用错峰分时,开创性地提出了“摄像和压缩编码分离”的策略,即一个图像编码器带三路视频图像接入的“一拖三”的单机设计方案。通过工作模式切换,三个监视任务分时实施高清图像编码压缩功能,不仅可传输视频图像还能拍摄高清晰度照片,完成三个主要活动场景的图像监视任务。通过压缩编码模块的“重复”利用,精简硬件电路,在满足分系统任务需求的前提下,最终分系统配套的摄像机由13台降至4台,分系统的总质量从原来的6.5千克减重到2.9千克,为整个探测器贡献了比黄金还贵重的3.6千克重量。

节约一整套设备:精工细作只为“完美”指标

轨道器测控数传分系统从发射前开机到轨道任务完成一直保持工作,前后20多天,还需根据飞行距离切换不同模式、实现不同功能。同时加上太空环境的恶劣和火箭的有限承载能力,使得测控数传产品的指标极其苛刻,唯有“精耕细作”方能达到要求。

轨道器测控数传分系统设计师苗瑞琴介绍道:“嫦娥五号数传分系统产品功能丰富,不仅具有遥控、遥测、测量等基本的测控功能,还要支持大容量图像数据的下传。”这对传统是一个颠覆,更是一个挑战。苗瑞琴深知前期总体设计的重要性,通过查阅国内外技术资料,对设计方案反复进行测试验证和性能优化,带领团队经过了十多轮方案迭代,“每一次失败,都如跌入低谷,但看着深夜的星空,我们又感觉充满了力量,因为我们知道离成功又近了一步。”苗瑞琴回忆道,最终,团队提出了针对不同飞行阶段下的多模式工作方案,成功地解决了近地、远地、环月飞行环境多样性难题,“完美”地完成了上述要求的各项功能。

完美的方案需要完美的产品来实现。在有限的资源条件下,遥远的距离需要测控产品具有极高的接收灵敏度。作为测控分系统的前端产品——应答机,不仅要满足高灵敏度、高动态接收要求,还面临变速率信号在X频段调制发射等众多技术难点。应答机主管设计师王文伟不畏艰难,虚心请教各位专家,攻克了所有技术难点,产品体积、重量、功耗等关键指标遥遥领先于国内同类产品,与常规的低轨卫星测控产品相比,灵敏度提高了100倍。同时,应答机还将传统的测控通信和数据传输功能整合在一台产品中,相当于节约了一整套数传设备,与同功能的系统相比,减重约10多公斤,节省功耗约55瓦,为整器节约了宝贵的资源,也为后期产品研制奠定了坚实的基础。

作者:史博臻 韩灿锋 孙晨

图:中国航天科技集团八院

编辑:张懿

责任编辑:戎兵

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