航天企业·天津·天津航天机电设备研究所 为嫦娥五号探月任务圆满成功提供支撑

2020年12月17日凌晨1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品成功着陆，任务获得圆满成功。习近平总书记在为此发来的贺电中指出，嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，首次实现了我国地外天体采样返回。这是发挥新型举国体制优势攻坚克难取得的又一重大成就，标志着中国航天向前迈出的一大步，将为深化人类对月球成因和太阳系深化历史的科学认知作出贡献。

大型超平支撑平台

嫦娥五号任务创造中国航天史上的五项“首次”，一是地外天体的采样与封装，二是地外天体的点火起飞、精准入轨，三是月球轨道无人交会对接和样品转移，四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。此次任务的圆满成功，是我国航天事业发展中里程碑式的新跨越，标志着我国具备了地月往返能力，实现了“绕、落、回”三步走规划完美收官，为我国未来月球与行星探测奠定了坚实基础。

天津航天机电设备研究所在此次嫦娥五号探月任务中，承担了交会对接试验大型超平支撑平台研制重任，完成了采样区域模拟月面形貌制备与构筑系统，承担了多项关键部件与工装的研制与生产工作，参加了嫦娥五号探测器热控实施、装配和地面保障工作，为嫦娥五号探测器探月任务的成功完成提供了全方位的助力。

将太空环境搬回地球

探月返回过程中，轨道器、返回器组合体与上升器能否完成交会对接，是决定嫦娥五号可否将月壤带回地球的关键环节之一。虽然我国已掌握空间交会对接技术，但与以往地球轨道交会对接相比，38 万公里的月球轨道上是没有办法借助导航卫星的，完全要靠探测器自身来解决。为了真实地验证“精准接、无缝转”的交会对接和样品转移过程，需要在地面开展GNC 全物理仿真试验，而该试验便是2015年8月在天津市微低重力环境模拟技术重点实验室完成的。

地面交会对接试验使用的敏感器和执行器都是真实产品，要模拟它们在太空环境中的对接状态，需要用通过发动机喷嘴喷气产生的只有几十牛的推力来让数吨重的模拟器改变轨道和姿态。为此，天津航天机电设备研究所研制了总面积达1200 平方米，单块平台水平度达到2 角秒，拼缝高度差达到10 微米的大型超平支撑平台，也只有这么高的精度才能保证嫦娥五号的模拟器在平台上进行近乎无摩擦的运动，从而验证探测器交会对接过程中的制导、导航与控制技术。

天津航天机电设备研究所在建设该平台时，利用从下到上的地基、支撑机构、平台本体、控制系统和调平系统等多方面的技术优势，为此次嫦娥五号地面试验的顺利完成提供了有力保障。

地基是整个大平台可靠稳定运行的根本，针对天津的地质条件，天津航天机电设备研究所科研人员为此次建设的高精度稳定系统进行了更充分的保障。

AR 技术观察月面地貌

3D 打印模拟月球石块

科研人员采用摩擦桩和高标号水泥浇筑的方法，为整个大平台建设提供了一个稳定的基础。为了加强设备基础与支撑调节机构之间的连接贴合性与接触刚度，科研人员还将高精度的花岗岩垫石浇注在地基内。

地基与平台之间采用的支撑调节机构是天津航天机电设备研究所具备自主知识产权的产品。每块平台下方由六套支撑调节机构进行调节，由于三点确定一个平面，因此，其中三根为主支撑，负责调节平台位姿；三根为辅助支撑，负责增加平台的支撑刚度，1200 根支撑调节机构，保证了开展试验的模拟器即便在最危险工况下仍能顺利通过拼接缝。

平台本体是由200 块特供的天然济南青花岗岩拼接而成的，济南青花岗岩具有抗压强度高、耐腐蚀等良好的物理特性，是建造大平台的理想材料，但只在特定区域产出，且产量很少。科研人员在设计之初曾考虑过铸铁，但是铸铁的平台维护性较差，手触、生锈、除锈都会破坏平台的平整度，最终还是选择了济南青花岗岩。

控制系统是平台下方1200 个支撑调节机构的大脑，负责接收检测车回传的平台水平度数据，并精确计算每个支撑的运行量。天津航天机电设备研究所科研人员设计了基于CANopen总线的分布式控制系统，通过闭环控制，保障了调节精度要求。

要将200 块3m×2m 的花岗岩调整到水平度和拼接缝高度满足试验参数要求，工作量极其庞大且繁琐，且数据差之毫厘、谬之千里。为此，科研人员研制了自主巡航的检测车对整个平台进行精度测量和自动调平，相比传统人工检测与调节，调节时间从1—2 个月缩短到24 小时，大幅提高了工作效率和支撑平台的保障能力。

“大型超平支撑平台”是气浮式微重力试验研究的基础设施，在其上能够开展大量的试验研究工作。目前，除嫦娥五号探月任务外，该平台还针对空间站、大型展开机构等十余项各类型号开展了试验任务，未来还将为载人登月、空间编队飞行、深空探测等重大工程任务提供强有力的支撑。

“大型超平支撑平台”的成功研制，使我国彻底告别了手工调试平台的历史，气浮支撑平台物理仿真一举跃进世界领先水平。后续，天津航天机电设备研究所将继续深入研究探索，不断迭代发展大型超平支撑平台技术和低微重力模拟仿真技术，为更多的用户提供优质的服务。

将月面搬到地面

2020年12月2日，我国嫦娥五号探测器成功落月。12月3日，我国首次月面自动采样任务顺利完成。此次嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合、多点采样的方式。其中，表取采样任务的完成，采样点选择以及采样策略的制定非常重要。

为了此次月面采样任务的顺利实施，天津航天机电设备研究所与五院总体设计部共同完成了嫦娥五号探测器采样区域模拟月面形貌制备与构筑系统。该系统根据嫦娥五号探测器登陆月面后回传的图像信息，通过技术手段在实验室模拟真实采样区域的月面形貌将“月面搬到地面”，为快速、有效地完成采样点选择与采样策略的制定提供参考依据。

简单说，就是将“月面搬到地面”上。

首先，该系统根据嫦娥五号探测器的监视相机从月面传回的图像信息和点云数字三维重构模型，采用基于增强现实（AR）技术的头戴式设备，对预定采样区域月面形貌进行重现，如同科幻电影中的场景一样，技术人员只要戴着一副AR 眼镜，就可以直观的看到月面地貌的投影。

之后，技术人员会按照采样区域的整体坡度与高度，以及采样区域内的石块、凹坑、凸起等信息，在实验室中的模拟月壤上制作出与月球表面一样大小的凹坑及凸起，并使用高速光固化3D 打印设备，打印出与月球表面存在的石块一样的替代品，将这些模拟石块按照真实月面情况摆放在前面模拟的月壤上。这样，一片模拟月面形貌就制作完成了。

天津航天机电设备研究所科研人员，以项目影响度凝聚所内以及天津本土的优势资源，在国内首次将增强现实（AR）技术、3D 打印技术、光学三维扫描技术融合应用于地形构筑上，协助技术人员对嫦娥五号在月面完成采样点选择与采样策略的制定提供参考依据。

后续，该系统还将为火星探测与小行星探测等深空探测任务的开展，提供思路和可借鉴的实施方案。