交会对接史上的几个“首次”

1965年12月15日,美国“双子星座”6号和7号飞船在航天员参与下,实现了世界上第一次有人空间交会。这两艘飞船在不同轨道上并列飞行,两艘飞船的间距保持在1.83米至3.05米之间,距离地球达312公里。

第一次两个航天器交会对接

1966年3月16日,美国航天员阿姆斯特朗和斯科特乘坐“双子星座”8号飞船,手动操作交会过程,与无人“阿金纳”目标飞行器对接,实现了两个航天器之间的首次交会对接。对接后,飞船猛烈滚动旋转,阿姆斯特朗不得不将飞船与“阿金纳”分开。但飞船仍在滚动,改用手动控制,才使飞船稳定下来。后查明是因人为扳错开关造成姿控系统故障。为确保安全,飞船紧急返回。

第一次自动交会对接1967年10月30日,苏联发射“宇宙”188号无人飞船。飞行49圈时与“宇宙”186号飞船在太空实现自动对接。对接飞行了3.5小时,飞船上电视摄像机拍摄了对接过程图像。两艘飞船还于10月31日、11月2日各自分离出一个密封回收舱返回地面。“宇宙”186号与“宇宙”188号完成了苏联的首次自动交会对接。

第一次两艘载人飞船空间对接

1969年1月16日,载有航天员沙塔洛夫的“联盟”4号飞船与载有航天员沃雷诺夫、叶利谢耶夫和赫鲁诺夫的“联盟”5号对接成功,第一次实现两艘载人飞船在太空对接,共对接了4小时35分钟。对接后,“联盟”5号的2名航天员经过1小时的舱外活动,转移到“联盟”4号上。

第一次航天飞机与空间站交会对接

1995年6月29日,美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号顺利地与太空运行的俄罗斯“和平”号空间站对接成功。由于俄罗斯在其“联盟”号飞船与空间站方面已积累了70多次交会对接的实践经验,美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机使用了俄罗斯研制的对接机构。

5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并将样品容器安全转移至返回器中。这是人类首次实现月球轨道无人交会对接，这也意味着中国深空探索技术在全球处于领先水平。

嫦娥五号挑战人类首次，也意味着嫦娥五号在技术上已经远超阿波罗飞船，这恰恰也证明了科学技术随着时代的发展在不断进步

月球轨道无人交会对接技术难度有多高

要在月球完成无人交会对接，可以说是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最高的任务之一。当初美国能够在月球完成无人交会对接，靠的是人工操作，

为了可以让探测器可以精准对接，地面人员还要做好前期工作，实时精密定轨，确定最符合跟踪观测数据的轨道，西安卫星测控中心所属的佳木斯深空站、喀什深空站、三亚测控站，利用我国陆基站“大三角”的优势，实施了三向测量，确保了上升器轨道的高精度确定，在此期间，上升器姿态变化频繁、信息传递关系复杂，目标切换时间十分紧凑，所以挑战难度非常大，这需要中国构建了非常成熟的覆盖全球的深空测控网。确定好了轨道数据，传输给嫦娥五号之后，接下来的交会对接就要靠嫦娥五号自己完成。



因为之前的无人交会对接，这些都是在地球轨道上进行的，有充足的地面站与人造卫星资源提供精准的测距、定位、导航服务，而在月球轨道附近，地面测控支持能力受限，除了提供精密定轨数据之外，其他需要更多地让探测器自主实现。

而这对探测器的自主性要求非常高，首先是月球的引力不同，月球的引力只有地球六分之一，而且两个航天器的相对位置要控制在误差不能超过5厘米这样的一个精度，交会对接过程中由于两个航天器的重量差异很大，一旦速度控制出现偏差，就会造成两器相撞从而导致对接的失败。



这就对探测器的设计、零件的精密性提出了更高的要求，嫦娥五号的对接机构必须做到小而精，其重量要减小到周边式对接机构的十五分之一，同时，还要具备样品容器捕获、自动转移功能，重量更轻、精度更高、过程更稳。

比如为了更好完成对接，中国航空工作人员设计了光学成像敏感器，用于飞船与目标飞行器交会对接的近距离成像测量敏感器，具有双波长激光输出特性，无论在无光环境还是强光环境下，均能为光学成像敏感器提供精确的目标指引。



所以我们设计了抱爪式对接机构，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。再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。



抱爪式对接机构

简单总结，阿波罗飞船因为采用人工操作，更加粗放，对于精密度、智能化要求不是很高，而中国嫦娥五号则更加精密化、智能化、自动化。

拥有了无人交会对接技术之后，中国将在以后的载人登月技术上拥有更高的可靠性，而且更有利于以后火星探测以及采样返回，要知道火星距离地球最远4亿公里，测控通信时延来回有几十分钟，地面支持力度会更弱，对探测器的精密化、智能化、自动化要求更高。



除此之外，这些技术中国嫦娥五号也更先进

在从月球返回的时候，阿波罗飞船采样的是升力再入模式，在设计返回舱外形的时候稍微让它有一点升力，比如联盟号/神州号飞船采用的钟形，或者阿波罗飞船的锥体造型，这类造型的返回舱拥有一定的升力，在大气层中飞行时可以通过自带的姿控系统调整姿势进而调节升力。

然而这对于隔热层的防护提出了很高的要求，要硬抗3000摄氏度热流烧蚀，5.9t总重的阿波罗飞船返回舱里足足1.36t（3000lbs）是隔热层。这严重挤压了宇航员的生存活动空间。



而嫦娥五号采样的是“太空打水漂”技术，返回舱利用自带的升力借助大气层密度变化的跳板，把自己从高速降落的弹道中脱离出来，反弹回大气层外面，此时经历过一次减速之后的返回舱速度已经大大降低，再次进入大气层的时候条件就温和得多，而这对于角度的要求非常高。

这样一来，再入时速度较高的阶段大气比较稀薄，烧蚀不会太严重，而进入稠密大气层的时候速度又没那么快了，过载低的同时热流也更小。可以把热盾做的更轻薄，从而探测器拥有更多的空间。



需要说明的一点，这个技术原理脱胎于钱学森提出的钱学森弹道，嫦娥五号完全也可以采用粗暴的加厚隔热层模式，但是中国之所以采用更加高难度的打水漂技术，也是为以后载人登月作准备，这样就可以拥有更大的科技，除了更加方便宇航员之外，也可以搭载更多的载荷。而且探测器重量也会下降，对火箭的推力也不会要求这么高，中国也不需要像美国土星五号一样堆发动机。

阿波罗飞船当时也想采用这样的“太空打水漂”技术，但是受限于时代，计算机的运力太弱，休斯敦地面控制中心全部设备的计算力约等于如今的一台笔记本电脑。登月舱的计算力“介于一块电子表和一台手机（非智能）”之间。



另外，嫦娥五号任务对于探测器着陆点的位置精度和平整度有空前高的要求：着陆区域内应没有太高的凸起，没有太深的凹坑，坡度也要符合任务要求。可以说，落月的过程就是着陆器、上升器组合体边飞行边找寻落点，在大约15分钟内完成约600公里外的全程自主跳伞。所以嫦娥五号需要自主导航技术，来寻找合适的降落地点，嫦娥五号最BUG的是拥有全自主避障系统，在整个登月下降阶段没有一丝一毫的人为干预。

美国至今为止都还没有掌握全自主避障系统。阿波罗飞船则是靠人来驾驶，完全依靠宇航员的驾驶技术。



最后，就是月壤的封装，实现了多点、多样化自动采样，这就需要在180摄氏度环境下持续正常工作的耐高温电机。

地球表面包裹着大气层，大气环境中不仅有气体成分，还漂浮着各种固体颗粒，如果月球样品接触到大气中的这些物质，就会造成污染，导致月球样品科研价值大打折扣。为确保月球样品在返回地球过程中，保持真空密闭以及不受外界环境影响，探测器在月面对样品进行了密封封装。从探测器采样到无人交会对接样品转移再到再入回收等过程，可以保证样品在返回地球的过程中不能有任何污染。



而阿波罗飞船并没有这样的密封封装技术，这也导致带回来的样本遭受了不同程度的污染。

总结

随着时代的发展，科技也在不断的进步，这是时代的必然，也是人类进步的必然，无论是计算机算力，还是材料科学的发展，抑或是通信技术的更迭，阿波罗时代都无法和现在比拟。

当初美国举全国之力，每年投入200多亿美元（站国家年度预算的4%左右），投入30万人才完全是堆人堆钱才创造的这项奇迹，这也导致了在往后，美国很难再次复制这样的奇迹。

而中国则是以科学研究为基础的，步步为营的，成本可控的、可持续发展的。从而做到了智能化、无人化、自动化，嫦娥五号的研发制造投入,再加上“长征五号”运载火箭的投入,“嫦娥五号”发射计划的总投入也才30亿元。



而且，中国嫦娥五号只要成功返回地球，也就意味着中国已经掌握了载人登月技术，因为嫦娥五号就是一次载人登月技术的前期验证，任何环节都对标载人登月。

总结来说，嫦娥五号技术超过阿波罗飞船，人类进步的必然。