這些激光技術(shù)助力嫦娥五號成功探月

信息來(lái)源:激光制造商情  發(fā)布日期:2021-01-29  瀏覽次數:9082

嫦娥五號探月任務(wù)是我國近期最重要航天項目,也是我國2020年航天發(fā)射活動(dòng)的收官之作。11月24日,我國在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng),用長(cháng)征五號遙五運載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器。嫦娥五號探測器由著(zhù)陸器、上升器、軌道器、返回器4部分組成。與我國以往探月任務(wù)不同,嫦娥五號既要落月探測,又要采樣返回,任務(wù)更為復雜艱巨。

 

整個(gè)嫦娥五號探月取壤工程可謂是我國有史以來(lái)難度最大航天項目,凝聚我國眾多最高科技的領(lǐng)域成果。12月17日,嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域安全著(zhù)陸,經(jīng)計算本次一共取得月壤挖得的月壤重1731克,也是人類(lèi)過(guò)去40年里首次從月球取得月壤,探月工程嫦娥五號任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。

 

光電技術(shù)為航天工程作出了重要貢獻,其中本次探月活動(dòng)里,激光技術(shù)也得到了多處應用體現。

 

中科院上海技物所負責研制嫦娥五號月球礦物光譜分析儀、激光測距測速敏感器和激光三維成像敏感器。月球礦物光譜分析儀是探測器有效載荷之一,將對月球表面著(zhù)陸采樣區進(jìn)行光譜探測和礦物組成分布分析。激光測距測速敏感器、激光三維成像敏感器是姿態(tài)控制(GNC)分系統的重要單機,是探測器能夠成功軟著(zhù)陸月球表面的重要技術(shù)保障。激光測距測速敏感器將在探測器著(zhù)陸月面時(shí)提供遠程距離和速度信息,有望實(shí)現國際首次在月球探測器軟著(zhù)陸階段使用激光多普勒測速技術(shù)進(jìn)行三個(gè)正交方向速度測量。激光三維成像敏感器將在探測器懸停時(shí)提供月面著(zhù)陸區的精確三維圖像。

                                              

                                                         激光測距測速敏感器測距模塊激光器(中科院上海光機所供圖)

 

其中“激光測距敏感器”核心測距器件——SPD-052型近紅外增強型雪崩激光探測器由北方激光研究院自主研制。北方激光研究院2005年開(kāi)始承擔嫦娥系列衛星用激光探測器研制工作,陸續為嫦娥一號、二號的“激光高度計”和嫦娥三號、四號及這次登月的嫦娥五號的“著(zhù)陸器激光測距敏感器”分系統提供激光探測器,該型SPD-052硅雪崩光電探測器在嫦娥五號落月過(guò)程控制中,實(shí)現激光回波接收,完成月面距離探測,產(chǎn)品在此任務(wù)中表現良好,指標精度滿(mǎn)足要求,為嫦娥五號落月任務(wù)的順利完成做出了貢獻。

                                         

                                                                                       SPD-052型近紅外增強型雪崩激光探測器

 

中科院上海光機所承擔了兩個(gè)系統中的核心組件——3臺激光器的研制。在承擔嫦娥三號、四號相關(guān)工作的基礎上,嫦娥五號上有兩款激光器實(shí)現了技術(shù)繼承和升級:測距模塊用激光器從環(huán)月階段開(kāi)始工作,通過(guò)大能量、窄脈寬激光來(lái)測量著(zhù)陸器和月面的距離;三維成像敏感器激光器是在著(zhù)陸器懸停時(shí),利用高重頻、窄脈寬脈沖激光瞬時(shí)對月面實(shí)施高精度三維成像,為選擇精確的著(zhù)陸點(diǎn)提供依據;激光器在減重20%的同時(shí),滿(mǎn)足了嫦娥五號更苛刻的振動(dòng)力學(xué)要求。

為了讓嫦娥五號著(zhù)陸更加平穩,首次在著(zhù)陸器上增加了測速模塊,中科院上海光機所設計了首個(gè)在著(zhù)陸器上使用的窄線(xiàn)寬光纖激光器,實(shí)現了窄線(xiàn)寬(kHz量級)、低強度噪聲的激光輸出,從落月階段開(kāi)始工作,通過(guò)探測激光回波的頻率信息來(lái)測量著(zhù)陸器相對月面的速度,實(shí)現了空間應用系統從能量探測模式向頻率探測模式的開(kāi)拓。

3款激光器從遠至近陸續開(kāi)啟,從繼承到開(kāi)拓,為嫦娥五號任務(wù)的順利完成提供強有力支撐,為國家的深空探測和空間科學(xué)做出貢獻。

 

12月6日5時(shí)42分,嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì )對接,并于6時(shí)12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是我國首次實(shí)現月球軌道交會(huì )對接。中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光電所)研制的激光雷達在本次月球軌道無(wú)人交會(huì )對接任務(wù)中圓滿(mǎn)完成任務(wù)。

 

光電所研制的激光雷達敏感器,在中近距離自動(dòng)捕獲上升器,實(shí)現對上升器的激光精密跟蹤,完成上升器相對軌道器的位置和姿態(tài)高精度測量,并將軌道器和上升器的相對距離、距離變化率、相對姿態(tài)角度、角度變化率等信息實(shí)時(shí)地傳送給軌道器控制器,幫助軌道器不斷調整姿態(tài),與上升器靠近并最終實(shí)現精準對接,圓滿(mǎn)完成本次月球軌道無(wú)人交會(huì )對接任務(wù)。

                                              

                                                                       光電所提供的激光雷達主機(光電所供圖) 

嫦娥五號的工作已經(jīng)為我國下一步探月工程作出了良好的鋪墊,帶回的月球土壤也會(huì )繼續增加我們對月球發(fā)展歷史、成分結構的認識。探月工程的成績(jì)代表著(zhù)我國正在邁向航天強國。