摘要：本文主要对嫦娥五号探测器多器组合一体化测控数传分系统方案设计、关键技术及在轨验证情况进行介绍.嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器四器组成,存在四器组合体、两器组合体、交会对接及单器等多种工作状态,构型及工作模式极为复杂,且重量资源十分紧张.根据嫦娥五号任务特点,设计了多器组合一体化测控数传分系统,通过多器组合测控解决了探测器构型复杂全空间测控难题,并结合一体化、功能复用设计以及单机轻小型化解决了重量资源受限问题.实现了受限带宽多频率同时工作兼容性设计,合理设计并实现了数传载波抑制、频谱带外抑制,以及应答机环路带宽等关键技术指标.

摘要：为确保嫦娥五号探测器月面无人采样封装任务的顺利实施,需要在有限的时间内操控航天器上复杂的采样封装机构和设备在不确知的环境中完成月面样品的采集和封装.为解决这一难题,本文提出了一种"近程验证-远程操控"的天地一体化双边型月面采样封装操控系统的设计方案,通过建立状态空间模型,推导并分析了系统的状态转移影响因素,给出了基于状态驱动的自主操控实施方法.验证试验证明,操控系统设计是正确有效的,在本操控系统的支持下,嫦娥五号顺利完成了我国首次月面无人采样封装任务.

摘要：嫦娥五号探测器首次实现了我国无人月面自动采样返回任务,探测器构型复杂、轻量化和精度要求高、环境条件和载荷工况严苛.本文对探测器整器结构及各子器结构的设计方案进行了概要介绍,并特别针对月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接与样品转移、携带月球样品高速(11 km/s的近第二宇宙速度)返回地球等任务环节所面临的关键技术问题,重点阐述了着陆器与上升器的轻量化、高精度复材结构设计方法,防热承力一体化月面起飞平台结构的技术方案、适应斜落着陆冲击的返回器结构缓冲设计和可开关舱门的迷宫式热密封设计等.飞行任务的实施结果表明,嫦娥五号探测器结构分系统的设计取得了圆满成功.

摘要：航天器在轨分离属于空间微重力环境下的多体动力学,而液体晃动属于复杂的非线性动力学,本文采用光滑粒子流体动力学方法(SPH方法)模拟航天器贮箱中带有自由表面的液体非线性晃动,建立了含贮箱液体晃动的航天器耦合分离动力学模型,通过航天器分离动力学及流-固耦合动力学分析,解决了贮箱燃料液体大幅晃动对航天器分离姿态的影响问题,给出了液体晃动对航天器产生的干扰力和力矩,对比了考虑液体晃动和假设贮箱液体为刚体得到航天器分离姿态的差异,不同液面高度对航天器分离姿态、干扰力和力矩的影响情况,分析结果为弹簧分离机构的优化设计和分离安全性设计提供参考,同时提高了航天器在轨姿态控制设计的可靠性.

摘要：嫦娥五号任务是中国首个无人月球采样返回任务,月地返回飞行是该任务相比以往中国探月任务的全新环节,飞行任务与轨道设计面临着全新的挑战.受运载发射重量和国内着陆点高纬度等限制,嫦娥五号探测器采用了月球轨道交会对接后等待能量最优时机返回并以半弹道跳跃方式再入地球的飞行方案.这与前期美国Apollo载人登月任务和苏联Luna无人采样返回任务方案有很大不同.本文以嫦娥五号实际工程任务为背景,系统地介绍了嫦娥五号任务月地转移飞行任务和轨道设计的约束、模型、算法及实际工程实施考虑.针对现有算法在嫦娥五号任务中应用的不足,提出了一种新的解析月地入射制导策略,该策略可以求得从环月椭圆轨道出发的最优入射脉冲并精确瞄准再入点参数.设计了带分离扰动补偿的全目标瞄准月地返回中途修正制导策略,既保证了再入点参数的高精度瞄准又实现了再入点误差的快速收敛.嫦娥五号在轨飞行结果表明,所设计的月地转移轨道以及相应的制导策略满足工程实施要求,再入点参数达到了非常高的控制精度,飞行任务取得了圆满的成功.

摘要：嫦娥五号轨道器实现了中国首次月球轨道的多次分离任务.月球探测器重量限制苛刻,月球轨道空间环境复杂,连接分离任务可靠性、安全性要求高,分离系统的设计与验证难度大.本文介绍了轨道器分离系统的功能与组成、各分离面的配置、关键单机方案、分离动力学仿真分析、超高真空分离面防冷焊设计、分离系统地面验证试验.在分离系统方案中,针对重量限制苛刻难题,提出了采用大承载、轻小型的点式连接分离的方案;针对分离可靠性高的难题,发明了一种枢轴式双作动火工连接解锁机构,实现了解锁分离环节的全链路冗余;针对分离安全性高的难题,识别出分离体质心横移、弹簧分离装置输出力的偏差、弹簧分离装置刚度变化、解锁不同步性等影响要素,并采取相应的设计措施;针对大温差、微重力空间环境下分离系统验证难,提出了基于热-结构-流体多场耦合特征的分离仿真分析方法,并提出了气液电联动控制的液压重力平衡方法和大型航天器分区联动温控方法,研制了相应的分离试验系统,进行了地面试验.经飞行试验验证,嫦娥五号轨道器各分离面在轨正常解锁分离,分离姿态平稳,表明轨道器分离系统设计正确,可靠性高,地面仿真和试验验证方法有效,验证充分,满足任务要求.

摘要：受到测控支持条件和月面起飞设施的限制以及月球与地球环境差异的影响,月面起飞上升面临许多不同于地面运载火箭的技术问题.为了满足月球上高精度和高可靠安全上升入轨的任务要求,嫦娥五号上升器采用了基于星光的自主天文定位和对准、重力场测量、上升自适应动力显式制导等方法来提高入轨精度,采用了惯导系统动态阈值调整自主故障检测、推力监测与发动机自重组、非迭代上升应急制导、入轨后自主应急轨控等方法来进一步提高月面上升的可靠性.基于这些设计,嫦娥五号上升器成功实现了我国首次月球表面起飞上升,入轨精度高于任务要求,为保证后续月球轨道无人交会对接的顺利进行创造了优越的条件.

摘要：针对探月工程三期嫦娥五号任务再入返回段测控任务要求,梳理出轨返分离点测定轨预报、轨返分离前天地校时、初次再入及二次再入关键任务弧段的跟踪测控等主要技术难题,并给出了相应的解决方案,确保了在轨道器与返回器分离(轨返分离)前定轨并预报1 h至分离点,径向、切向和法向三个方向上的位置精度均优于1000 m,速度精度均优于0.5 m/s的测定轨预报要求以及1 ms的校时精度要求,构建了几乎连续覆盖的再入返回测量链,并通过获取的各类遥外测数据对返回器落点进行了预报,精度为1 km量级。任务实践充分表明,测控系统的方案稳妥可靠,有效确保了任务的圆满成功,并可为后续开展小行星采样返回、火星采样返回等任务提供重要技术参考。

摘要：嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点,通过开展采样区选址分析,选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区,确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作;针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标,需要开展系统方案优化设计,减少系统的改动量,规避过多技术状态更改带来的工程实现风险,通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案,在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改;针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点,提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案,确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施;针对载荷搭载需求,提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案,确保系统信息接口、电气接口的安全性,并对不同载荷设计了定制式探测模式,在保证不影响主任务完成的前提下,实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用,确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功,并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。

摘要：针对嫦娥五号飞行程序多舱段、多任务、系统控制复杂的设计特点和难点,采用传统的飞行程序设计方法工作量大,状态控制困难,很难满足任务要求。提出了一种新的基于状态转移的方法对飞行程序进行系统建模,首先将整个飞行过程分解成若干模块状态机;然后针对每个模块状态机的功能划分为状态触发器、评估器、执行器和确认器,并分别开展建模设计;最后通过状态触发器和确认器将各个功能模块进行连接,形成整个飞行程序的有限状态机描述。相比传统方法,该方法具有通用性、可扩展性和可复用性等特点,对于规范飞行程序设计,描述复杂的飞行任务过程有很大的优势。采用该方法对嫦娥五号飞行程序进行了建模和设计,并给出了典型飞行过程的设计结果。在轨飞行试验结果表明,该方法可以满足飞行任务的要求,确保了嫦娥五号在轨飞行控制任务圆满成功。