三維模擬動畫圖。 北京航天飛行控制中心 供圖
2020年12月1日，在經歷了為期一週的地月轉移、近月制動、環月飛行之旅後，“嫦娥五號”探測器的著陸上升組合體成功實施在月面預定區域的軟著陸。歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段，這穩穩的一落看似輕盈輕鬆，卻蘊藏著“嫦娥五號”探測器抓總研製單位航天科技集團五院的眾多智慧和積澱。
GNC高精度關鍵技術
“嫦娥五號”任務的落月和近月制動一樣，都是隻有一次機會，必須一次成功。由於涉及採樣後上升器的月面起飛，所以，“嫦娥五號”落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇“發射場”的過程。相較於“嫦娥三號”和“嫦娥四號”，“嫦娥五號”對於著陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，需要一個著陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務要求。可以說，落月的過程就是邊飛行邊找尋落點，在15分鐘內完成約600公里外的全程自主跳傘。
為了實現“選址正確，落得準確”，“嫦娥五號”採用了五院502所已經在“嫦娥三號”和“嫦娥四號”上應用的“粗精接力避障”的方式，即502所研製的制導導航與控制（GNC）系統的指揮下，著陸器和上升器組合體先是大推力反向制動快速減速，然後快速調整姿態並對預定落區地形進行拍照識別，避開大的障礙，實現“粗避障”，然後組合體在飛到距離月面100米時懸停，並再次對選定區域進行精確拍照，實現“精避障”，之後再斜向下飄向選定的著陸點，在移動到著陸點正上方之後開始豎直下降，到距離月面較近時關閉發動機，然後利用著陸腿的緩衝實現軟著陸。
著陸緩衝機構顯身手
落月的關鍵在於平穩二字。“嫦娥五號”著陸上升組合體在落月時，撞擊月面會形成較大的衝擊載荷，必須設計相應的著陸緩衝系統，吸收著陸的衝擊載荷，保證探測器不翻倒、不陷落，這是落月的技術難題之一。著陸緩衝機構，通俗地說就是“嫦娥五號”的“腿”。
這四條緩衝、支撐一體化的“腿”可不一般，它們來自於機構分系統團隊的精心設計、巧手研製，更來源於“嫦娥三號”和“嫦娥四號”的完美基因。著陸緩衝機構具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證了收攏簡單、展開可靠，解決了著陸緩衝、著陸穩定性等多方面的問題。
與嫦娥三號的著陸緩衝設計方案相比，由於任務難度增加，“嫦娥五號”任務的著陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。這為總體設計部的團隊成員帶來了不小的難題。面臨減重的難關，研製團隊反覆迭代，每次修改完設計，討論時一旦發現新的減重突破口，又毫不猶豫地再次推翻設計、繼續修改，最終成功滿足了設計指標，確保了“嫦娥五號”穩定可靠地完成與月球的親密擁抱。
經濟的“外腦”“外眼”設計
在“嫦娥五號”的落月過程中還有兩個精妙的設計。一是雖然表面上看是著陸器“揹著”上升器軟著陸到了月面上，但實際上整個落月的過程著陸器GNC系統的工作和智能自主的指揮過程都是藉助了“外腦”和“外眼”，這個“外腦”和“外眼”分別就是上升器月面起飛時要用的“最強大腦”中央控制計算機，和通過“看星星”確定自己姿態的星敏感器，這是設計人員根據“上升器全程陪同著陸器”的實際想出的妙招，既節約了成本又減輕了重量。
二是由於距離月面較近時主發動機會激起的月塵汙染星敏感器，從而影響上升器月面起飛，所以研製團隊專門設計了蓋子，在距離月面一定的高度時把星敏感器的鏡頭蓋起來，團隊稱之為“天黑請閉眼”，待落月之後月塵散去再通知星敏感器把蓋子打開，這一睜一閉之間，著陸器和上升器組合體已經順利著陸在月球之上了。
定向天線“一線牽”
落月牽動著國人的心。38萬公里外的“嫦娥五號”正經歷著什麼樣的考驗？所有的訊息，都需通過著陸上升組合體的一口小小的“鍋”來實時傳送遙測數據。這個“小鍋”就是定向天線——把探測器上的數據傳輸到地面的發射轉換裝置。
從月球把數據發送回地球，通信的距離相比地面手機通信遠了幾萬倍，這就需要採取特殊的對地定向天線來發送數據。五院總體設計部設計的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅動機構。雙軸驅動機構就像人的肩關節、肘關節，驅動反射天線輻射器靈活地轉動，確保“小鍋”始終對準地面。為了使整器減重，此款反射面天線極致輕量化設計，相比同類天線減重40%以上，既輕便又可靠。
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