北京时间 12 月 6 日 5 时 42 分，嫦娥五号上升器成功与轨道器返回器组合体交会对接，并于 6 时 12 分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是我国航天器首次实现月球轨道交会对接。
图 ｜ 轨道器与上升器交会对接示意图
据专家介绍，从上升器进入环月飞行轨道开始，通过远程导引和近程自主控制，轨道器返回器组合体逐步靠近上升器，以抱爪的方式捕获上升器，完成交会对接。
12 时 35 分，嫦娥五号轨道器组合器与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。
图｜轨道器返回器组合体与上升器分离前、后示意图
嫦娥五号月球采样返回，是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最高的任务之一。
由中国航天科工集团有限公司研制的嫦娥五号交会对接微波雷达，在此次任务中十分关键。作为探测器在月球轨道中远距离测量的唯一手段，交互对接微波雷达成功引导探测器实现首次月球轨道无人交会对接。
“千里眼”结合“顺风耳”，微波雷达确保精准对接
据悉，月球轨道微波雷达是一组成对产品，由雷达主机和应答机组成，分别安装在嫦娥五号的轨道器和上升器上。
当轨道器、上升器相距 100 公里左右时，微波雷达就会开始工作，并不断为导航控制分系统提供两航天器之间的相对运动参数，同时进行双向空空通信。
两部航天器则会根据雷达提供的信号去调整飞行姿态，直至轨道器上的对接机构捕获、锁定上升器。之后，上升器中的月壤样品和容器转移。
此前，该微波雷达曾应用于近地轨道的多次交会对接，获得了五战五捷的成绩，但是“月球环境更复杂，要克服月球引力影响，所以自动交会对接对微波雷达提出的要求极为苛刻。为此，微波雷达团队攻克了相位干涉仪测角、大宽角度测量等关键技术”，航天科工二院 25 所交会对接微波雷达总工程师孙武说。
另外，嫦娥五号轨道器和上升器交互对接采用的抱爪式对接机构，需要更高的微波雷达测角精度。对此，微波雷达项目主任设计师贺中琴介绍说：“我们采用了创新的误差补偿算法，进一步提高了微波雷达的测角精度，大幅提升了精准对接的胜算。”
此外，为避免装有对接应答机的上升器在落月时形成的月尘对测角精度造成干扰，航天科工为应答机安装了特殊材料的防尘罩。青年设计师纪博将防尘罩比作“护目镜”，她说，这样“‘嫦娥’的这双‘千里眼’就不会变成‘近视眼’甚至‘全盲’了。”
孙武进一步介绍道，“我们为这次交会对接打造的，不仅是‘千里眼’，还是‘顺风耳’，升级后的它更小巧、更强大、更可靠。”
除保证交会对接的测量工作，微波雷达还将航天器间的通信方式升级为双向空空通信，使轨道器与上升器能够“沟通对话”，实现遥控指令和遥测参数的双向传输。
同时，为交会对接微波雷达再次进行轻量化改进（此前“天舟”、“天宫”已减重一半）。孙武表示，“交会对接雷达减去的重量比月壤采样重量还高，哪怕一克的重量减轻，对月壤采样任务的意义，都是巨大的。”
小而精的抱爪对接机构，实现月壤样品顺利转移
图 | 样品容器安全转移至返回器示意图
月球探测轨道的复杂环境，对航天器运载能力、探测器质量和空间要求更加严苛，对接机构必须做到小而精。
因此，嫦娥五号探测器上采用由中国航天科技集团八院研制的对接与样品转移机构——抱爪式对接机构，“抱爪机构具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点。”航天科技八院嫦娥五号探测器副总指挥张玉花介绍说，抱爪式对接机构“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。”
嫦娥五号轨道器技术副总负责人胡震宇介绍称，探测器采用由 3 套 K 形抱爪构成的对接机构，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。
轨道器和上升器对接完成后，需要将上升器中装有月壤样品的容器转移到返回器中。胡震宇说，此过程中“连杆棘爪式转移机构采用了一个非常巧妙的设计，我们利用 2 套倒三角形构型的棘爪，通过 4 次伸缩，使得容器逐渐移动到返回器中。这个构形很像我们经常使用的扎带，相连后就只能单方向传递，只能前进不能后退。”
“我们构建了整机特性测试台、性能测试台、综合测试台、热真空试验台四大测试系统，先后进行了超过 1000 次样品转移测试，通过不断地测试、优化，确保自动对接与样品转移过程的万无一失。”对接机构与样品转移分系统技术负责人刘仲介绍， “我们甚至在试验中故意加入小故障，让对接机构自动判别，进行故障排除，确保整个过程一气呵成、稳妥可靠。”
可以说，任务执行前的每个环节都经历了充分验证，确保“绝不把任何一点疑惑、缺陷带上太空”。
