文章來源：科(ke)技(ji)日報 發布(bu)時間(jian)：2021-12-07
據國(guo)家航天局(ju)消(xiao)息，嫦(chang)娥(e)五(wu)號(hao)探測器經過約19小時月面(mian)(mian)工作，于(yu)12月2日22時順利完成月球表面(mian)(mian)自動采樣，并已按預定(ding)形式將樣品封(feng)裝(zhuang)保存(cun)(cun)在上升器攜帶的貯(zhu)存(cun)(cun)裝(zhuang)置中。
自動(dong)采(cai)樣(yang)是此(ci)次(ci)任務(wu)的(de)核心關鍵環節(jie)之一。嫦娥五號通過機械臂表(biao)取(qu)、鉆(zhan)具鉆(zhan)取(qu)，通過深(shen)鉆(zhan)、淺鉆(zhan)、鏟(chan)土、挖(wa)土、夾土等(deng)各種方式(shi)，實現了多點、多樣(yang)化自動(dong)采(cai)樣(yang)。目前，它已經把樣(yang)品打包(bao)裝(zhuang)好，準備背著它們離開月球。
這么復雜的工作，它(ta)是怎么完成(cheng)的？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖土無疑是(shi)件揮汗如雨的體(ti)力活。嫦娥五號挖土的畫風又是(shi)如何(he)？
在月面超(chao)過100攝氏度的高溫考驗下，它克服了(le)測控(kong)、光照、電源等方(fang)面的條件約束，舒展長臂，高高舉起了(le)挖土鏟……
此處需注明(ming)的是(shi)，嫦娥五號的挖土鏟(chan)，可跟咱們在生活中(zhong)用到(dao)的不一(yi)(yi)樣。這臺設(she)備一(yi)(yi)頭(tou)是(shi)一(yi)(yi)個小鏟(chan)子，一(yi)(yi)頭(tou)是(shi)淺表鉆，可以360度無(wu)死角(jiao)可視化操作，能輕松完成鏟(chan)挖、淺鉆、拾取這些動作。
嫦娥(e)五號的(de)(de)“手(shou)臂”纖(xian)細、白皙，卻結實有力。如(ru)果(guo)說人的(de)(de)手(shou)臂力量(liang)來自肱(gong)二頭肌、肱(gong)撓肌、掌肌等，這條集(ji)高顏(yan)值、高科技(ji)于一體(ti)的(de)(de)機(ji)(ji)械臂，各個關(guan)節的(de)(de)力量(liang)來自安(an)裝在關(guan)節處的(de)(de)電機(ji)(ji)。這就是由(you)中國(guo)航天科技(ji)集(ji)團四院401所研制的(de)(de)表采關(guan)節臂電機(ji)(ji)組(zu)件。
關節(jie)臂電(dian)機有(you)兩種，重的(de)不(bu)到1斤(jin)，輕的(de)不(bu)到半斤(jin)，個頭不(bu)大、力氣不(bu)小，而且靈(ling)活機動，精度(du)(du)可達1度(du)(du)以內，能(neng)讓嫦娥(e)五號指哪(na)挖哪(na)。
這些(xie)電(dian)機裝在機械臂各(ge)個關節附近，暴露于月表環境(jing)中，意(yi)味(wei)著它們要(yao)耐受太陽(yang)直射下超過(guo)130攝氏度的高溫，以及比地(di)球上大得多的輻(fu)射，還(huan)要(yao)承擔真(zhen)空環境(jing)下難以散熱而帶(dai)來的性能衰減。好(hao)在，研制(zhi)團隊已經(jing)解決(jue)了這些(xie)環境(jing)適應性問(wen)題。
如(ru)果電機(ji)在(zai)工作(zuo)中壞掉或沒(mei)電了(le)怎么辦？為了(le)保(bao)(bao)(bao)證任(ren)務完成，研(yan)制團隊在(zai)一(yi)個電機(ji)殼(ke)體中塞了(le)兩臺電機(ji)，提供雙重保(bao)(bao)(bao)障；同時還增加(jia)了(le)突(tu)然斷電情況下對機(ji)械(xie)臂(bei)的位置保(bao)(bao)(bao)持功(gong)能，防止機(ji)械(xie)臂(bei)因“沒(mei)勁”而落(luo)在(zai)月面(mian)上(shang)“摔傷(shang)”，可(ke)以(yi)說是很貼心了(le)。
怎(zen)樣(yang)將(jiang)腳下的(de)樣(yang)品舉到(dao)頭頂？
針對(dui)鉆(zhan)取任務，航(hang)天科技集(ji)團(tuan)五院529廠為(wei)嫦娥五號提供了一套“金剛(gang)鉆(zhan)”。
這套(tao)鉆取(qu)子系統具(ju)備鉆進能(neng)(neng)力強(qiang)(qiang)、排粉能(neng)(neng)力強(qiang)(qiang)、月壤適應(ying)性強(qiang)(qiang)三(san)大基(ji)本(ben)功。
嫦(chang)娥五號(hao)不(bu)(bu)能移動(dong)，落到哪(na)就得在(zai)哪(na)鉆(zhan)，這(zhe)對鉆(zhan)取(qu)(qu)(qu)適(shi)應性提出很高(gao)要求(qiu)。研制團隊開展了(le)上千次地面(mian)鉆(zhan)取(qu)(qu)(qu)試(shi)驗，積累形成了(le)不(bu)(bu)同工況(kuang)(kuang)的鉆(zhan)取(qu)(qu)(qu)參(can)數數據庫；通過在(zai)軌(gui)預編程自(zi)主控制，實現了(le)鉆(zhan)取(qu)(qu)(qu)子系統(tong)“回轉(zhuan)”“沖(chong)擊”和“回轉(zhuan)+沖(chong)擊”三(san)種模式，以(yi)及不(bu)(bu)同參(can)數的自(zi)由切換，以(yi)適(shi)應多(duo)種月壤工況(kuang)(kuang)。
為了讓嫦娥(e)五號(hao)擁(yong)有百里挑一的獨創鉆頭，科(ke)研(yan)團隊選用了雙排(pai)鉆牙階梯(ti)構(gou)型(xing)，經過“千錘百煉”，保證鉆進過程順暢可控，具備(bei)對8級硬度巖石的鉆進能(neng)力。他們還(huan)為雙排(pai)出刃(ren)設計了多個切削面，使其(qi)能(neng)夠撥動(dong)、突(tu)破臨(lin)界顆粒與顆粒集群，以便應對危險工況、處理大(da)顆粒。
同(tong)時(shi)，科研(yan)團隊對鉆頭采用漸闊的(de)(de)錐形(xing)排(pai)(pai)粉槽通道，與(yu)鉆桿排(pai)(pai)粉槽連接相通，形(xing)成一體排(pai)(pai)粉通道，并通過(guo)鉆桿模(mo)型的(de)(de)匹配和參數(shu)優化，使(shi)系統的(de)(de)排(pai)(pai)粉能力(li)大幅提高。
“取得著、封得住”是鉆取子(zi)系統(tong)的核心技(ji)術之一。為(wei)保證取得的巖芯在(zai)提出過程(cheng)中不會掉(diao)落(luo)，系統(tong)采用開放式構型的“8”字形超彈性合金絲作為(wei)封口方案(an)，與取芯軟袋末端進行一體化縫合，依靠(kao)彈性收縮力來實現(xian)簡單可靠(kao)的封口。
嫦(chang)娥五號(hao)鉆取的(de)樣(yang)(yang)品(pin)封入軟袋后(hou)，將被裝進環形封裝容器，再(zai)運送到(dao)上升器頂端。月球表面坑洼不(bu)平，如果(guo)嫦(chang)娥五號(hao)著陸時站(zhan)得不(bu)正，有可能影響(xiang)到(dao)樣(yang)(yang)品(pin)的(de)傳送。
針對(dui)低重力(li)下(xia)著(zhu)陸(lu)姿(zi)態角(jiao)度對(dui)樣品傳(chuan)送(song)(song)的(de)不(bu)利影(ying)響，研制團(tuan)隊設計了具(ju)有碰撞自適應能力(li)的(de)傳(chuan)送(song)(song)方案。通(tong)過(guo)彈(dan)性驅(qu)動為月(yue)壤(rang)封(feng)裝容器(qi)提供初始(shi)速(su)度，再借助重力(li)，將含有三(san)級導(dao)向錐角(jiao)的(de)封(feng)裝容器(qi)沿固定(ding)導(dao)向結構傳(chuan)送(song)(song)到上升器(qi)內(nei)。該方案不(bu)需要續送(song)(song)機(ji)構，簡單(dan)可靠，可以在不(bu)同著(zhu)陸(lu)姿(zi)態下(xia)，實現封(feng)裝容器(qi)精準(zhun)傳(chuan)送(song)(song)。
樣品打包、拆封都是高科技
據(ju)國家航天局(ju)消(xiao)息，為確保(bao)月球樣品在返回地(di)球過程中保(bao)持(chi)真(zhen)空密閉以及不受外界環境影響，嫦娥五號在月面對樣品進行(xing)了(le)密封封裝。
從航天科技集團五院510所了解到(dao)，相比月(yue)面(mian)極高真空環(huan)境，地球大(da)氣(qi)中(zhong)不僅有氣(qi)體成(cheng)分，還漂浮著各種(zhong)固體顆(ke)粒，月(yue)球樣(yang)品接觸(chu)到(dao)這(zhe)些物質就(jiu)會被污染，科研(yan)價值(zhi)將大(da)打折(zhe)扣。
為此，該所(suo)給嫦娥五號研制了專用(yong)打包裝(zhuang)置——密(mi)封封裝(zhuang)子系(xi)統。它能自動(dong)承接、封裝(zhuang)月球樣品，并妥善密(mi)封保(bao)存。
該(gai)系統裝在嫦(chang)娥五號最頂端，由主(zhu)體(ti)框架、密封容器組(zu)件、蓋(gai)體(ti)組(zu)件和(he)(he)開合(he)(he)機構組(zu)件等(deng)組(zu)成。鏤空的主(zhu)體(ti)框架上分布著用于(yu)轉移的棘齒(chi)和(he)(he)導向條，鈦合(he)(he)金(jin)和(he)(he)鋁合(he)(he)金(jin)材料能保證其(qi)結構強度(du)和(he)(he)剛度(du)，并最大限度(du)減(jian)輕(qing)重量。
在月(yue)面工(gong)作(zuo)階段(duan)，該系統根據預先設定的(de)指令開始工(gong)作(zuo)，先解除蓋體(ti)鎖(suo)定，讓蓋體(ti)豎直(zhi)抬升、轉(zhuan)動(dong)一定角(jiao)度，將容器(qi)口完全敞開；待所有樣品(pin)裝入(ru)容器(qi)后(hou)，蓋體(ti)原(yuan)路(lu)返回，通過火工(gong)組(zu)件鎖(suo)緊并(bing)進行(xing)高真(zhen)空密封。
等(deng)嫦(chang)娥(e)五號(hao)返回地(di)面后，月球樣品(pin)可不是輕易就能從(cong)密(mi)封裝置(zhi)中(zhong)取出(chu)來的。解(jie)鈴(ling)還(huan)須系鈴(ling)人。510所研(yan)制的月球樣品(pin)解(jie)封分裝操作臺可以勝任此項工(gong)作，在高純氮(dan)氣(qi)環(huan)境下對月球樣品(pin)進(jin)行收(shou)集、登記、描述(shu)等(deng)處理，最大限度保(bao)證(zheng)樣品(pin)少受地(di)球外部環(huan)境影響。
【責(ze)任編輯：趙(zhao)藝涵】