探月工程管理創新與專項試驗驗證技術實踐

孫為鋼 王博 孟林智 趙立軍

(1 中國航天科技集團有限公司，北京 100048)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

月球是距離地球最近的天體，它蘊藏著豐富的自然資源和能源，一直是各國開展深空探測的起點和基礎，也是目前人類認識最為深入的地外天體。在20世紀50年代末60年代初，蘇聯和美國相繼發射了月球探測器，特別是美國在1969年阿波羅11號飛船實現了人類的首次載人登月，顯示了人類的智慧和能力。

中國的航天活動開始于20世紀60年代，1970年4月24日成功發射第一顆人造地球衛星。2000年11月22日，國務院發表了《中國的航天》白皮書，明確提出了開展以月球探測為主的深空探測發展目標。2002年起，原國防科工委組織建立了全國大協作的工程體系框架，結合國際月球探測的主要特點，充分考慮我國的技術水平、綜合國力和整體發展規劃，提出了我國實施月球探測的發展思路：堅持“循序漸進、分步實施、不斷跨越”的原則，逐步積累技術和經驗，及時提高運載能力以適應深空探測的發展需求，于2020年前完成我國的探月工程，即嫦娥工程[1]。探月工程分三個階段實施：繞月探測，月球軟著陸和自動巡視勘察，自動采樣返回，簡稱“繞、落、回”。目前，探月一期(嫦娥一號)、二期(嫦娥三號)已圓滿完成，三期(嫦娥五號)正在實施。其中，嫦娥二號、四號、六號分別為一號、三號和五號任務的備份，進行改造后執行新的任務。

我國正在開展未來深空探測任務的論證工作，通過探月工程實施所形成管理和技術創新研究成果將對未來深空探測任務的實施具有重要的借鑒和應用價值。尤其是探月工程三期月面采樣返回探測任務具有長征五號火箭首次正式任務發射、探測器四器組合系統復雜、任務實施關鍵環節多、關鍵技術難度大等特點，對地面試驗驗證的要求極高，其所牽引發展的新型專項地面驗證試驗技術和設施具有代表性，可應用于后續深空探測工程研制中。因此，本文在簡要描述探月工程主要進展、管理和技術創新等方面情況的基礎上，重點總結分析了探月工程三期所牽引發展的探測器和運載火箭系統7項典型大型地面專項試驗驗證技術的主要目的、實施和應用等情況。

1 探月工程成就與創新

1.1 主要成就

1.1.1 探月一期

2004年，探月一期工程正式獲批立項，揭開了我國開展月球及深空探測活動的序幕。經過3年多的研制，2007年10月24日，我國發射了第一個月球探測器——嫦娥一號衛星，實現了繼人造地球衛星、載人航天之后我國航天活動的第三個里程碑，初步構建了完整的探月工程體系，使我國跨入世界上具有深空探測能力國家的行列[2]。嫦娥一號衛星在軌運行495天后，于2009年3月1日受控撞擊于月球的豐富海區域(東經52.36°、南緯1.5°)，為探月一期工程畫上圓滿的句號[1]。嫦娥一號成功后，嫦娥二號調整為探月二期的技術先導星。嫦娥二號衛星于2010年10月1日成功發射，2011年4月1日圓滿實現既定六大工程目標，完成了規定的技術驗證項目，并獲取了以7 m分辨率全月球圖像為代表的一大批科學成果。之后，通過創新設計，充分利用衛星剩余資源，設計了多階段拓展任務，通過一次發射任務完成了月球、日-地L2點、圖塔蒂斯小行星的多目標探測，使嫦娥二號衛星成為我國首顆飛入行星際的探測器，突破了多項關鍵技術，取得了“低成本、高質量、高回報”的突出實效，將中國深空探測事業推進到一個新的高度[3]。

1.1.2 探月二期

2008年，探月二期工程立項并進入工程實施階段。其主要目標是實現月面軟著陸，開展月面就位探測與巡視勘察。2013年12月2日，中國成功發射嫦娥三號探測器，于12月14日自主軟著陸于月球“虹灣”區域，釋放玉兔號月球車至月球表面，實現了月面軟著陸和巡視探測。嫦娥三號探測器是一個全新的航天器，是我國第一次在地球以外的天體上進行就位和巡視探測[4]。通過大量的設計分析、關鍵技術攻關和地面驗證試驗，突破了月球軟著陸和月面巡視的核心關鍵技術。嫦娥三號成功后，其備份星嫦娥四號賦予了新的任務使命，將實施人類首次月球背面軟著陸，開展就位與巡視探測，并通過中繼星將探測數據傳輸回地球。嫦娥四號計劃于2018年左右發射，著陸區初步選擇于月球背面南極艾特肯盆地上[5]。

1.1.3 探月三期

2011年，探月三期工程立項，任務目標是實現月面無人采樣返回，同時進一步完善基礎設施建設，為深空探測夯實技術研究、試驗驗證、質量體系保障、人才隊伍培養等基礎。探月三期工程采用新研制的長征五號運載火箭，在新建的海南發射場，發射全新的嫦娥五號探測器。整個任務流程將近1個月。在這個方案中，要在嫦娥三號月面軟著陸的基礎上，突破月面表取采樣、鉆取采樣、月球樣品封裝、月面起飛技術、月球軌道交會對接、樣品轉移等技術，工程中還要實現多次分離，以及高精度的軌道測量和控制。為降低工程風險，探月三期工程于2014年10月成功進行了繞月返回地球并實現一次跳躍式再入大氣層的飛行試驗，驗證了半彈道跳躍式再入的氣動、熱防護、再入GNC等技術[6]，獲取了有效的試驗數據。

1.2 主要創新

1.2.1 管理創新

作為航天領域的國家重大科技工程，探月工程在管理方面，按照國家重大科技專項管理有關要求，結合航天型號系統工程管理、民用航天工程管理、項目管理等的優點，形成特有的管理模式和方法。

探月工程成立重大專項領導小組，負責研究決策工程研制過程中的重大事項；專門設立工程大總體，負責工程計劃、質量、經費、保障條件等全要素管理和大總體協調工作；運載火箭、探測器、發射場、測控、地面應用系統各負其責，分頭開展各系統研制建設工作；實施工程兩總負責制和分級管理制度，任命工程總指揮、總師、副總指揮、副總師，五大系統任命型號總指揮、總師、副總指揮、副總師，分層落實責任制；研制過程中實行重大專項領導小組會、工程總師例會、月度研制調度會等機制。各級責任制的落實和行之有效機制的實施確保了工程研制順利進行。

深空探測任務相對于地球軌道衛星任務，具有任務規模復雜、探測器構形特殊、環境極端惡劣、飛行距離遠、飛行程序關鍵環節多、關鍵技術難度大、地面驗證難等特點，中國航天科技集團有限公司實施重大技術獨立評估，大力開展飛行事件保證鏈分析，有效識別和控制工程研制過程中的風險，確保了各項任務圓滿成功。

1)重大技術獨立評估

重大技術獨立評估是針對中國航天科技集團有限公司、甚至中國航天領域首次遇到的、影響任務成敗的重大技術，聘請獨立于探月工程研制隊伍以外的、國內(含公司以外的)相關專業技術領域權威或知名專家，從第三方角度，對重大技術方案的正確性、地面驗證的充分性、技術風險控制的有效性等方面開展評估，并給出意見和建議，為探月工程研制隊伍提供支撐和參考。在組織方式上，成立獨立評估委員會，根據重大技術涉及的專業技術方向，下設幾個專題評估組，遵循獨立、專業、客觀、深入的工作原則，通過聽取匯報、查閱資料、實物考證、交流質詢、分析研究、復核復算、試驗驗證等方式開展評價工作。

2012年，重大技術獨立評估的措施和方法首次在嫦娥三號任務中得以應用，成果作用顯著。評估委員會成立總體技術、安全著陸、巡視探測、推進技術四個專題評估組，共提出406項評估意見和待辦事項，探測器系統針對專家意見進行了復查和改進，確保問題全部閉環，為嫦娥三號探測器技術風險可控、任務圓滿成功提供了有力的保障。重大技術獨立評估在嫦娥三號任務中的成功應用，為其它重大航天器管理工作提供了經驗和借鑒，并在后續的探月三期探測器系統半彈道高速跳躍式再入返回試驗、嫦娥五號月面采樣返回、嫦娥四號月球背面軟著陸和巡視勘察等任務中加以應用，充分發揮外部專家力量，為重大工程順利實施保駕護航。

2)飛行事件保證鏈分析

飛行事件保證鏈分析是指探測器和運載火箭系統總體、分系統和單機承研單位對相應各級飛行事件的輸入條件、輸出結果、執行時間以及與其它事件的關聯進行梳理分析，對飛行事件的關鍵動作進行清理，確定重點保證工作項目，明確各飛行事件的責任制和工作要求，落實責任人，制定地面測試、飛行遙測數據的分析準則，并以此來判定工作程序中每一事件執行是否成功，提出確保各飛行事件成功、系統或單機的功能穩定實現的措施，形成與飛行事件鏈相對應的保證鏈。

飛行事件保證鏈分析方法在探月工程運載火箭系統和探測器系統研制中得到大力推行和應用。特別是長征五號運載火箭專項立項后，在方案、初樣、試樣等不同研制階段針對飛行事件開展了深入的保證鏈研究和迭代分析，并據此完善了地面驗證試驗矩陣、故障預案等技術和質量管理工作，為探月三期任務的研制提供了有力的保障。

1.2.2 技術創新

通過探月工程的實施，我國已經突破了月球環繞、軟著陸、就位和巡視、采樣返回等一系列深空探測關鍵技術，具備對月球進行科學探測的基本能力[1]。主要關鍵技術創新包括：

(1)運載火箭窄窗口多彈道發射技術，包括火箭發射與飛行技術、確?；鸺\載能力的措施與技術、發射場技術等；

(2)探測器地月轉移和環月飛行軌道設計技術，包括地月直接轉移軌道優化設計、環月飛行軌道優化、著陸/上升軌道設計、月面軌道調整優化等[3]；

(3)深空制導、導航與控制技術，包括三體指向控制新技術、高精度自主變軌控制技術、控制系統體系結構技術、系統容錯-重構技術等[3]；

(4)深空遠距離測控通信技術，包括測控通信體制研究、多探測器通信與相對定位技術、多元數據處理技術、集成化綜合電子系統、星載測控通信設備等[5]；

(5)月面軟著陸技術，包括軟著陸導航與控制、輕型桁架式主承力結構、軟著陸緩沖機構、可調推力式推進等技術[7]；

(6)月面巡視與控制技術，包括月面移動、環境感知、路徑規劃與控制等技術[4]；

(7)月夜生存技術，包括先進熱控技術、同位素能源技術、機構的潤滑、密封技術和重復展開技術、元器件的月面生存低溫耐受技術等[4]；

(8)月面自動采樣與封裝技術，包括采樣封裝綜合設計技術、樣品采集與定型技術、樣品封裝與穩固技術、樣品長期存儲技術等；

(9)月面起飛上升技術，包括基于著陸平臺的月面起飛技術，月面起飛上升制導、導航與控制技術，月面起飛地面試驗驗證技術等；

(10)月球軌道交會對接技術，包括交會對接總體設計與驗證技術、交會對接GNC技術、弱撞擊式對接機構技術等；

(11)接近第二宇宙速度返回地球高速跳躍式再入大氣技術，包括高速再入制導與控制技術、氣動分析與試驗技術、防熱結構技術、回收著陸技術等[6]；

(12)深空新型科學載荷技術，包括高分辨率CCD立體相機、微波探測儀、激光高度計、伽瑪譜儀、X射線譜儀、γ/X射線譜儀、太陽風高能粒子探測器、太陽離子探測器、月基光學望遠鏡、紫外相機、雙通道超寬帶時域脈沖雷達等[8]。

以上關鍵技術的突破進一步提升中國航天技術水平，形成了月球探測工程基本技術體系，為未來火星、小行星、木星系乃至太陽系外科學探測奠定了堅實的基礎。

關鍵技術的突破離不開地面試驗驗證，探月工程針對各項深空探測關鍵技術的需求，牽引支持開展專項地面試驗驗證技術研究，已經初步形成了深空探測地面試驗驗證體系，確保了探月工程研制工作的順利進行，也為未來深空探測任務的實施奠定了堅實的基礎。

2 探月工程三期地面試驗驗證技術

月球及深空任務探測器發射后一旦出現故障幾乎不可能維修，為了提高探測器可靠度，降低任務風險，發射前進行充分的地面環境試驗十分必要。月球及深空探測器與地球軌道航天器在考慮環境適應性和環境試驗方面有許多相似之處，但也有不同之處，特別是環繞、著陸、采樣返回探測任務中的空間環境、進入環境、著陸環境及天體表面環境的特殊性，需要解決地面環境模擬試驗的一系列具體的技術難題，同時需要建造和完善相關的環境試驗設施，通過充分的試驗發現產品方案或制造質量方面各種潛在的問題和缺陷。

月球及深空探測任務遇到的環境有自然環境和誘導環境兩大類，前者是客觀存在的，后者是探測器和運載火箭產生的[9]。環境對探測器的影響涉及機械、電、熱、磁、光學、輻射等各個專業技術領域，環境對探測器產品產生的環境效應可在材料、元器件、組件、分系統、系統等各種裝配級別上表現出來。環境試驗驗證工作貫穿于整個型號的研制計劃中，不同的研制階段需要進行不同的環境試驗來達到不同的試驗目的。

針對全任務周期內經受的環境，在綜合考慮效益、進度、可行性的前提下，需盡可能地在地面針對各個環境進行驗證，以驗證產品的設計方案、工藝方案的正確性和合理性，暴露產品制造質量、材料、工藝方面的缺陷，排除早期失效，提高工作壽命期間的使用可靠性。

針對探月工程這些高度復雜的工程任務，在規劃系統級地面驗證試驗時應遵循以下基本原則：

(1)能夠對試驗對象進行充分驗證。

(2)試驗邊界條件不能低于真實的環境經歷，能夠對試驗對象起到加嚴考核的目的。

(3)在滿足試驗目的的基礎上，試驗方法盡量簡單、安全、可靠。

(4)試驗工況在覆蓋在軌工作工況的前提下盡可能的少。

以探月三期工程為例，其任務面臨的技術挑戰是前所未有的，新技術更多，試驗驗證更難。長征五號運載火箭和嫦娥五號探測器應用了大量的新技術和新產品，均需在地面進行充分的試驗驗證?；谏鲜鲈瓌t，除了進行比常規任務更為復雜的力學試驗、熱試驗、電性能綜合試驗和大系統對接試驗等地面試驗外，工程任務還開展了交會對接與樣品轉移專項試驗、著陸起飛綜合驗證試驗、采樣封裝專項試驗、全尺寸羽流導流試驗、樣品轉移聯合驗證試驗、高超再入及風洞試驗等20余項地面專項試驗。

下面結合探月三期工程任務實施中的7個有代表性的專項驗證試驗，介紹其地面試驗技術和基礎設施的帶動性。

2.1 全箭模態專項試驗

全箭模態專項試驗的目的是獲取高精度的全箭振動特性參數，為箭上控制系統參數設計提供依據。

探月三期工程研制中，針對該驗證需求建造了火箭振動試驗塔，用于新一代大型運載火箭全箭及部段模態試驗，如圖1所示。該試驗可滿足起飛質量小于1500 t的大型火箭全箭動特性試驗需求，提升了運載火箭系統的地面試驗驗證能力。

圖1 全箭模態專項試驗Fig.1 Overall modal test of launch vehicle

嫦娥五號探測器和運載火箭聯合開展了模態試驗，取得了高精度全箭振動特性參數，修正了相應模型，為箭上控制系統參數設計提供了依據，為長征五號首飛成功奠定了基礎。

2.2 著陸起飛綜合驗證試驗

軟著陸前，探測器一般通過軌控發動機進行動力下降段減速。由于動力下降過程中涉及到測距、測速、地形識別、導航敏感器的自主導航控制、控制和推進系統的協調工作等復雜過程，需要在地面對動力下降段過程進行試驗驗證[9]。但是若在地面驗證整個動力下降過程，在現有的技術條件下幾乎是不可能的，也是沒有必要的。動力下降段著陸器需完成減速、地形識別、避障、懸停及關機等關鍵動作，而懸停段、避障段、緩速下降段中著陸器也包含這些關鍵動作，綜合考慮經費、研制進度和地面模擬方法的局限性，采用懸停段、避障段、緩速下降段地面試驗驗證整個動力下降過程是充分必要的。

月面穩定、可靠起飛是上升器月面上升、入軌的前提，上升器月面起飛瞬間過程包含復雜的瞬態動力學問題，需要研究起飛平臺傾角、支撐狀態、連接解鎖特性、發動機推力特性等綜合因素對月面上升動力穩定性影響，建立耦合動力學模型，在理論分析的基礎上，需要進行月面起飛的地面綜合試驗，以對理論模型進行驗證，并通過月面起飛的地面綜合試驗對月面上升關鍵參數的關聯性進行分析、驗證。

參考探月二期工程研制經驗，結合月面著陸和上升驗證需求，工程任務中設計了著陸起飛綜合驗證試驗。著陸起飛綜合驗證試驗的目的是考核起飛穩定性及控制系統交接條件滿足性，考核探測器系統的控制能力，驗證上升器對不同起飛初始條件的適應能力，綜合演練起飛工作過程，驗證起飛程序設計的正確性。

試驗系統主要包括驗證器和試驗場系統，其中，驗證器一般包括涉及起飛上升過程的著陸器和上升器，試驗場系統一般包括試驗架、模擬月表、地面測量、指揮控制和試驗保障子系統等組成部分。

探月三期工程研制中，針對該驗證需求建設了大型月球著陸起飛綜合試驗場，研制了跨度約100 m、高約110 m的著陸起飛試驗塔架等試驗設施。該設施在高度方向上提供了約70 m的運動空間，可提供全物理仿真條件模擬軟著陸和起飛過程，在充分接近真實情況下考核方案，驗證控制、推進等分系統間工作的匹配性、可靠性，如圖2所示。

圖2 著陸起飛綜合驗證試驗Fig.2 Landing and flying-off comprehensive test

利用建成的大型月球著陸起飛綜合試驗場，開展了著陸穩定性試驗和著陸起飛綜合驗證試驗。其中，著陸穩定性試驗驗證了月球重力場下著陸面地形地貌和著陸面力學參數對著陸穩定性的影響；進行了著陸沖擊試驗，獲取了器上主要部位的沖擊響應，并對單機力學環境條件的正確性進行了確認。著陸起飛綜合驗證試驗，主要包括不點火試驗和點火試驗兩個階段。重點驗證了軟著陸過程中安全區域的識別能力及避障控制性能、綜合控制能力、月面起飛過程的穩定性以及月面軟著陸及起飛程序設計的正確性。同時也摸索、掌握了一系列針對軟著陸的地面驗證試驗方案和試驗方法。

2.3 采樣封裝專項試驗

探月三期工程嫦娥五號采用鉆取機構獲取月表以下、最大深度約2 m的樣品；采用機械臂加末端采樣器的方式實現月表采樣。通常為了確保樣品保持在目標天體表面的特性不受后續飛行過程的影響，一般均要采取必要的密封手段，即將樣品進行初級封裝或整形的樣品包裝密封保存，并將密封的樣品轉移到返回艙。在設計樣品采集、封裝和轉移方案時，特別是設計相應的機構時，除了考慮飛行過程經歷的力學、溫度、真空、輻照等環境條件，還要考慮目標天體表面的粉塵、重力、光照、地形和天體表面的地質特性等環境因素對機構設計的影響，確保相應的機構能夠適應所經歷的環境以及過程中的不確定因素；需在地面開展充分的采樣封裝專項試驗驗證。

采樣封裝專項試驗的目的是驗證任務實施中采樣及封裝過程主要設備的功能、性能與接口匹配性，以及采樣程序的正確性和合理性。

探月三期工程研制中，針對該驗證需求建設了地外天體采樣封裝任務試驗場。該試驗場具備模擬地外天體低重力、復雜土壤特性、光照環境、探測器著陸狀態等條件能力，可滿足月球及后續深空探測器采樣與封裝試驗需求，如圖3所示。

圖3 采樣封裝專項試驗Fig.3 Sample collection and packaging test

嫦娥五號開展了采樣封裝專項試驗，根據具體試驗目的和工況，試驗項目主要包括標稱采樣封裝、傾斜姿態采樣封裝、極端模擬月壤采樣封裝、采樣封裝排故演練等多類試驗。重點驗證了采樣封裝過程主要設備的功能、性能與接口匹配性以及采樣程序的正確性和合理性；達到了程序驗證、控制方案驗證、設備驗證等目標，積累了地外天體采樣過程真實模擬試驗的數據和經驗，有力支撐了采樣封裝的系統設計。

2.4 全尺寸羽流導流專項試驗

探測器完成月面探測及采樣任務后，需要利用發動機將上升器從月面推入環月軌道。由于上升器與著陸器或上升器發射平臺距離較近，因此兩級分離期間將在著陸器或上升器發射平臺的頂板和上升器的底部產生很高的壓力和熱流，直至兩器之間充分分離，即發動機羽流能自由擴散，沒有來自著陸器或上升器發射平臺的羽流反射。這種在兩級之間有限區域內由發動機點火產生的熱效應，需要開展上升器起飛羽流影響試驗驗證。

全尺寸羽流導流專項試驗的目的是驗證上升器起飛發動機與羽流導流裝置的相容性，驗證典型工況條件下起飛發動機羽流對上升器、著陸器的綜合力、熱效應，考核羽流熱防護材料性能及防護效果。

全尺寸羽流導流試驗系統由驗證器和試驗場組成。試驗中上升驗證器與著陸驗證器安裝于高模臺真空艙內，其中上升驗證器通過轉接裝置固定垂直安裝在承力架上，著陸驗證器被安裝于位姿調整裝置上，并可與其一起運動。針對該驗證需求建設了全尺寸羽流導流試驗場，主要用于完成3000 N以下推力發動機的羽流試驗、空間飛行器及其部組件高真空環境試驗、推進劑高真空蒸發試驗等項目，如圖4所示。

圖4 全尺寸羽流導流專項試驗Fig.4 Full size conduction test

通過開展全尺寸羽流導流專項試驗，獲取了發動機羽流對上升器、著陸器的綜合力和熱效應數據，驗證了發動機與羽流導流裝置的相容性。同時也提升了羽流擾動力測量、真空壓力場測量、發動機燃氣流激波測量及低溫下測量設備溫度控制等方面的技術水平。

2.5 交會對接與樣品轉移專項試驗

交會對接過程的重點難點是導航、制導與控制技術。交會對接過程中，一般情況下導航、制導與控制的主要任務是完成上升器和軌道器的軌道和姿態控制、實現遠程交會和近程控制，包括捕獲、跟蹤與測量、近程引導直至軌道器接近上升器并滿足對接條件。近程引導與控制一般要完全依靠上升器和軌道器自主完成，除了控制計算機的自主能力提高、制導控制方法的精度要求需滿足后續對接等任務需求，最重要的技術難點就是相對測量，即通過上升器和軌道器攜帶的敏感器測量兩個飛行器之間的運動參數。目前主要的相對測量技術主要有微波測距測速、激光測距測速和光學成像測距測速等，這些測量手段的作用距離、測量精度和對環境的適應性等存在差異，需根據任務需要配置一種或多種敏感器，共同完成近距離的相對測量，進而實現近程自主交會控制。

交會對接與樣品轉移專項試驗的目的是驗證交會對接過程中探測器系統的控制性能，驗證控制系統、對接/樣品轉移機構的匹配性，驗證交會對接飛行程序設計的正確性。

交會對接與樣品轉移專項試驗系統主要包括驗證器和試驗場系統，其中，驗證器一般為模擬的軌道器、返回器和上升器，由交會對接端面、器上產品及其模擬件、器上仿真控制系統等組成，試驗場系統一般包括大型超平支撐氣浮平臺及其控制系統、高精度基準、可視化演示、地面總控和現場監視等組成部分。

交會對接與樣品轉移專項試驗采用在大型超平支撐平臺上的2臺六自由度氣浮臺(分別模擬軌道器和上升器)，模擬微重力環境下軌道器和上升器的相對位置與姿態運動。大型超平支撐平臺由200塊大理石組成，每塊大理石都可以調整，構成平面度優于0.63 mm的30 m×40 m(1200 m2)的平面，是六自由度氣浮臺平面運動的基準平面和承載平面，平臺負載能力可達10 000 kg，具備了調平到水平度角秒量級、臺階差微米量級的水平。為此，探月三期工程研制中，針對該驗證需求建造了交會對接全物理試驗平臺，采用六自由度氣浮臺等設施實現了嫦娥五號探測器交會對接與樣品轉移過程的全物理仿真驗證，如圖5所示。

通過開展交會對接與樣品轉移專項試驗，主要針對近程交會接近段控制、對接抓捕、撤離控制和交會對接全過程開展了地面驗證，包含正常及拉偏條件模擬工況，重點驗證了控制系統、對接機構與樣品轉移機構在整個交會對接和樣品轉移任務中的時序協調性和設計正確性，為控制系統、飛行時序等設計提供了依據。

圖5 交會對接與樣品轉移專項試驗Fig.5 Rendezvous-docking and sample transfer test

2.6 樣品轉移聯合驗證專項試驗

當兩個飛行器間的相對關系滿足對接或樣品轉移初始條件后，需通過對接機構將兩個飛行器可靠連接在一起，通過樣品轉移機構將樣品和容器從一個飛行器轉移到另外一個飛行器中。

樣品轉移聯合驗證試驗的目的是驗證樣品轉移任務相關產品之間接口的正確性、匹配性、協調性。

樣品轉移聯合驗證試驗系統主要由對接與樣品轉移機構整機特性測試臺、對接與樣品轉移機構主動件、被動件、密封封裝裝置、樣品艙、對接與樣品轉移綜合管理單元和綜合測試設備等組成。

樣品轉移聯合驗證試驗利用對接與樣品轉移機構整機特性測試臺，進行垂直方向上的樣品轉移試驗。為此，探月三期工程研制中，針對該驗證需求建設了輕小型對接與樣品轉移機構的地面驗證系統，采用等效接口驗證方法，模擬三器間相對12自由度的位置姿態、在軌轉移時樣品容器的失重狀態和高低溫環境。

樣品轉移聯合驗證試驗共進行了正常、位置拉偏、載荷拉偏及故障條件下等多個工況驗證。通過樣品轉移聯合驗證試驗，驗證了正常情況下主動件中心與樣品艙中心位置偏差、負載條件下的樣品轉移能力，驗證了拉偏情況下主動件中心與樣品艙中心位置拉偏、負載條件下的樣品轉移能力；模擬了各產品在軌可能出現的故障情況，對各類故障進行了演練；突破了地面條件下多維、多應力、高精度的對接和樣品轉移綜合驗證技術；解決了失重模擬、高精度運動與空間環境耦合下的驗證難題。同時建立了對接與樣品轉移的多學科協同工作平臺，為轉移機構設計和性能驗證提供完整全面的仿真分析手段。

2.7 高超再入地面風洞專項試驗

探月三期作為我國首個地外天體采樣返回的任務，工程采用了跳躍式再入方式，具有再入速度高、再入航程長、峰值熱流密度高、總加熱時間長和總加熱量大等特點，需要同時解決以近第二宇宙速度進入大氣層、躍出大氣層及二次再入、長航程精確返回預定落區等問題，對我國再入返回技術提出了新的挑戰[6]。

探測器高速再入地球時，氣動外形減速是降低進入速度的主要手段。氣動減速過程中需要兼顧氣動熱、氣動力、落點散布等約束。為了獲取返回器在再入大氣過程中的氣動力特性數據以及熱環境數據，并驗證燒蝕材料的燒蝕特性，需要開展大量的氣動、燒蝕試驗工作，確保研究采用的方法以及模型的正確性，具體包括風洞測力試驗、風洞測壓試驗、風洞測熱試驗、彈道打靶、自由飛試驗、風洞燒蝕試驗等。

針對探月三期工程高速再入返回氣動設計與驗證需求，新建了高頻感應加熱風洞、高焓激波風洞、低密度風洞系統，開展了多個風洞專項試驗。通過飛行試驗器在軌飛行，驗證、突破了高速再入返回氣動設計與驗證技術；探索出一套適用于第二宇宙速度再入返回器研制的氣動分析與驗證途徑方法；牽引發展的抗沖刷熱流傳感器制作工藝、高精度測力試驗技術等。該系統可應用于其它復雜外形高超聲速飛行器測力、測熱試驗中。

通過高超再入地面風洞專項試驗，獲取了第二宇宙速度跳躍式再入氣動環境參數，提升了預測方法的精度以及速域、空域的適用范圍。

3 結束語

探月工程的實施，用有限的探測次數、較少的投入，實現了中國航天從地球走向深空的跨越，實現了中華民族的千年奔月夢想。月球環繞和著陸巡視探測的任務目標已經圓滿完成，月面采樣返回的關鍵技術已經突破，大幅度地提升了中國空間科學的研究水平和技術能力；帶動了大型運載火箭、深空測控網的建造，提升了地面高水平專項驗證設施研制的能力；拓展了航天技術認知的深度和廣度，提升了基礎理論水平的發展，取得了技術成果和專利；積累了一套完整的航天重大工程組織管理的經驗和方法，為后續深空探測的發展奠定了良好的基礎。

本文面向未來深空探測任務發展前景，重點總結分析了探月工程三期牽引發展的運載火箭和探測器系統7項典型大型地面試驗驗證技術建設和應用情況。所形成的技術和設施成果可針對深空探測任務特別是環繞、著陸、采樣返回等任務實施全周期內的各種環境要求開展地面驗證試驗工作，可驗證產品設計方案、工藝方案的正確性和合理性，提前暴露產品在制造質量、材料、工藝方面存在的缺陷，提高火箭發射和探測器在軌工作的可靠性，確保探測任務取得圓滿成功、獲得第一手有效科學探測數據。

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