2020年12月3日23時10分，嫦娥五號上升器攜帶月球樣品從月面點火起飛，約6分鐘后，進入環月橢圓軌道。12月6日2時13分，上升器準確到達軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預定“交班”位置。5時42分，上升器與軌返對合體完成交會對接，6時，樣品封裝容器從上升器轉移到返回器中。這個自主交會對接和樣品轉移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術含量極高。采用從月面起飛后進行一次月球軌道交會對接，而不是從月面起飛后直接月地轉移，這樣的設計有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續任務進行技術積累和驗證。
上升器和軌返組合體都在環月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內道跑。內道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點。為了實現“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當接近到一定距離時，軌返組合體會自主控制發動機來改變行進方向，抄近道趕上上升器。整個追逐過程設置多個停泊點，軌返組合體停下來保持相對位置不變，進行狀態檢查，并確保對接的時候測控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會對接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號月球軌道交會對接制導、導航與控制系統. 中國科學: 技術科學, 2021, 51: 788–798）在交會對接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對位置、速度和姿態，為此配置了多種進行相對測量的敏感器，用來實現相對導航。在相距100公里的時候，微波雷達開始工作，既按照傳統雷達的“點名答到”模式提供兩器的相對運動參數，還升級到“對話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測參數。在相距20公里的時候，激光雷達“登場”，提供更高精度的測量信息。而到了100米左右，光學敏感器開始大顯身手，實現近距離的距離和姿態測量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準，測得更精，系統更加可靠。
軌返組合體重達2噸多，上升器質量卻只有它的六分之一，如果采用傳統的碰撞式對接，極易導致上升器被撞飛。為此，專門設計了抱爪式抓捕對接機構，每對抱爪猶如兩只手臂，在1秒內快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動鎖柄牢牢地約束在內部，再也無法逃脫。對得上還得對得準，對接后的精度要求優于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機構星型周向布局、自定心設計，實現了兩飛行器對接后的自動對準中心，在保證高精度對接的同時實現了輕量化設計。轉移機構的設計也很巧妙。為了實現六百多毫米的長行程樣品容器轉移，設計師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運動行程放大+接力轉移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機構，通過多級并聯連桿的簡單循環展收運動，就可以實現物體的連續移動。整個轉移過程如同毛毛蟲的運動，一伸一縮、不斷前進。
2020年12月3日23時10分，嫦娥五號上升器攜帶月球樣品從月面點火起飛，約6分鐘后，進入環月橢圓軌道。12月6日2時13分，上升器準確到達軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預定“交班”位置。5時42分，上升器與軌返對合體完成交會對接，6時，樣品封裝容器從上升器轉移到返回器中。這個自主交會對接和樣品轉移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術含量極高。采用從月面起飛后進行一次月球軌道交會對接，而不是從月面起飛后直接月地轉移，這樣的設計有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續任務進行技術積累和驗證。
上升器和軌返組合體都在環月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內道跑。內道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點。為了實現“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當接近到一定距離時，軌返組合體會自主控制發動機來改變行進方向，抄近道趕上上升器。整個追逐過程設置多個停泊點，軌返組合體停下來保持相對位置不變，進行狀態檢查，并確保對接的時候測控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會對接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號月球軌道交會對接制導、導航與控制系統. 中國科學: 技術科學, 2021, 51: 788–798）在交會對接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對位置、速度和姿態，為此配置了多種進行相對測量的敏感器，用來實現相對導航。在相距100公里的時候，微波雷達開始工作，既按照傳統雷達的“點名答到”模式提供兩器的相對運動參數，還升級到“對話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測參數。在相距20公里的時候，激光雷達“登場”，提供更高精度的測量信息。而到了100米左右，光學敏感器開始大顯身手，實現近距離的距離和姿態測量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準，測得更精，系統更加可靠。
軌返組合體重達2噸多，上升器質量卻只有它的六分之一，如果采用傳統的碰撞式對接，極易導致上升器被撞飛。為此，專門設計了抱爪式抓捕對接機構，每對抱爪猶如兩只手臂，在1秒內快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動鎖柄牢牢地約束在內部，再也無法逃脫。對得上還得對得準，對接后的精度要求優于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機構星型周向布局、自定心設計，實現了兩飛行器對接后的自動對準中心，在保證高精度對接的同時實現了輕量化設計。轉移機構的設計也很巧妙。為了實現六百多毫米的長行程樣品容器轉移，設計師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運動行程放大+接力轉移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機構，通過多級并聯連桿的簡單循環展收運動，就可以實現物體的連續移動。整個轉移過程如同毛毛蟲的運動，一伸一縮、不斷前進。
2020年12月3日23時10分，嫦娥五號上升器攜帶月球樣品從月面點火起飛，約6分鐘后，進入環月橢圓軌道。12月6日2時13分，上升器準確到達軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預定“交班”位置。5時42分，上升器與軌返對合體完成交會對接，6時，樣品封裝容器從上升器轉移到返回器中。這個自主交會對接和樣品轉移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術含量極高。采用從月面起飛后進行一次月球軌道交會對接，而不是從月面起飛后直接月地轉移，這樣的設計有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續任務進行技術積累和驗證。
上升器和軌返組合體都在環月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內道跑。內道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點。為了實現“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當接近到一定距離時，軌返組合體會自主控制發動機來改變行進方向，抄近道趕上上升器。整個追逐過程設置多個停泊點，軌返組合體停下來保持相對位置不變，進行狀態檢查，并確保對接的時候測控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會對接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號月球軌道交會對接制導、導航與控制系統. 中國科學: 技術科學, 2021, 51: 788–798）在交會對接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對位置、速度和姿態，為此配置了多種進行相對測量的敏感器，用來實現相對導航。在相距100公里的時候，微波雷達開始工作，既按照傳統雷達的“點名答到”模式提供兩器的相對運動參數，還升級到“對話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測參數。在相距20公里的時候，激光雷達“登場”，提供更高精度的測量信息。而到了100米左右，光學敏感器開始大顯身手，實現近距離的距離和姿態測量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準，測得更精，系統更加可靠。
軌返組合體重達2噸多，上升器質量卻只有它的六分之一，如果采用傳統的碰撞式對接，極易導致上升器被撞飛。為此，專門設計了抱爪式抓捕對接機構，每對抱爪猶如兩只手臂，在1秒內快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動鎖柄牢牢地約束在內部，再也無法逃脫。對得上還得對得準，對接后的精度要求優于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機構星型周向布局、自定心設計，實現了兩飛行器對接后的自動對準中心，在保證高精度對接的同時實現了輕量化設計。轉移機構的設計也很巧妙。為了實現六百多毫米的長行程樣品容器轉移，設計師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運動行程放大+接力轉移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機構，通過多級并聯連桿的簡單循環展收運動，就可以實現物體的連續移動。整個轉移過程如同毛毛蟲的運動，一伸一縮、不斷前進。
2020年12月3日23時10分，嫦娥五號上升器攜帶月球樣品從月面點火起飛，約6分鐘后，進入環月橢圓軌道。12月6日2時13分，上升器準確到達軌返組合體前方50公里、上方約10公里的預定“交班”位置。5時42分，上升器與軌返對合體完成交會對接，6時，樣品封裝容器從上升器轉移到返回器中。這個自主交會對接和樣品轉移過程就好像百米接力賽中的交接棒過程，精彩紛呈，技術含量極高。采用從月面起飛后進行一次月球軌道交會對接，而不是從月面起飛后直接月地轉移，這樣的設計有利于采集和攜帶更多樣品返回地球，并為后續任務進行技術積累和驗證。
上升器和軌返組合體都在環月飛行，但軌道高度不同，上升器在210公里高的外道跑，軌返組合體在200公里高的內道跑。內道路程短，軌返組合體跑得稍快一些，外道的上升器則跑得要慢一點。為了實現“交接棒”，軌返組合體需要在高度方向上抬高軌道，并且在前后方向上逐漸逼近上升器。當接近到一定距離時，軌返組合體會自主控制發動機來改變行進方向，抄近道趕上上升器。整個追逐過程設置多個停泊點，軌返組合體停下來保持相對位置不變，進行狀態檢查，并確保對接的時候測控條件滿足要求。
圖：月球軌道交會對接飛行階段劃分。（來源：徐陽, 馬琳, 劉濤, 等嫦娥五號月球軌道交會對接制導、導航與控制系統. 中國科學: 技術科學, 2021, 51: 788–798）在交會對接過程中，需要讓軌返組合體和上升器清楚彼此的相對位置、速度和姿態，為此配置了多種進行相對測量的敏感器，用來實現相對導航。在相距100公里的時候，微波雷達開始工作，既按照傳統雷達的“點名答到”模式提供兩器的相對運動參數，還升級到“對話交流”模式，在軌返組合體和上升器之間雙向傳輸遙控指令和遙測參數。在相距20公里的時候，激光雷達“登場”，提供更高精度的測量信息。而到了100米左右，光學敏感器開始大顯身手，實現近距離的距離和姿態測量。這些敏感器在作用距離上彼此接力又有覆蓋銜接，從而確保在任意距離上至少有兩種不同體制的敏感器可用，使得軌返組合體看得更準，測得更精，系統更加可靠。
軌返組合體重達2噸多，上升器質量卻只有它的六分之一，如果采用傳統的碰撞式對接，極易導致上升器被撞飛。為此，專門設計了抱爪式抓捕對接機構，每對抱爪猶如兩只手臂，在1秒內快速合攏形成閉合空間，將位于上升器的被動鎖柄牢牢地約束在內部，再也無法逃脫。對得上還得對得準，對接后的精度要求優于0.5毫米，好比在太空“穿針引線”。采用3套抱爪機構星型周向布局、自定心設計，實現了兩飛行器對接后的自動對準中心，在保證高精度對接的同時實現了輕量化設計。轉移機構的設計也很巧妙。為了實現六百多毫米的長行程樣品容器轉移，設計師們從尺蠖的身上找到了靈感，基于運動行程放大+接力轉移的原理，提出了一種仿尺蠖大展收接力式機構，通過多級并聯連桿的簡單循環展收運動，就可以實現物體的連續移動。整個轉移過程如同毛毛蟲的運動，一伸一縮、不斷前進。