文章(zhang)來源：科技日報 發(fa)布時間：2021-12-07
據國家航天局(ju)消息，嫦娥五號探測器經(jing)過約19小時(shi)月(yue)面(mian)工(gong)作(zuo)，于12月(yue)2日22時(shi)順利完成月(yue)球表(biao)面(mian)自動采樣(yang)，并已按預定形式將樣(yang)品封裝保存(cun)在上升器攜(xie)帶的(de)貯(zhu)存(cun)裝置(zhi)中。
自動(dong)采樣(yang)(yang)是此次任(ren)務的核心(xin)關鍵環(huan)節之一。嫦娥五號通(tong)過機(ji)械臂表取(qu)、鉆(zhan)具鉆(zhan)取(qu)，通(tong)過深(shen)鉆(zhan)、淺(qian)鉆(zhan)、鏟土(tu)、挖土(tu)、夾土(tu)等各(ge)種方式，實現(xian)了多(duo)點、多(duo)樣(yang)(yang)化(hua)自動(dong)采樣(yang)(yang)。目前，它(ta)已經把(ba)樣(yang)(yang)品打包裝好，準備背著(zhu)它(ta)們離開月球。
這么(me)復雜的(de)工(gong)作，它是怎么(me)完成的(de)？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖土無疑(yi)是件揮汗如(ru)雨(yu)的體力活(huo)。嫦娥五號挖土的畫風又是如(ru)何？
在月(yue)面(mian)超(chao)過(guo)100攝氏(shi)度的高(gao)溫考(kao)驗下，它克(ke)服了測控、光照、電源等(deng)方面(mian)的條件(jian)約束(shu)，舒展長(chang)臂，高(gao)高(gao)舉起了挖土鏟……
此處需(xu)注明(ming)的是(shi)，嫦娥五號的挖(wa)土鏟(chan)(chan)，可跟咱(zan)們在生(sheng)活中用到的不一樣。這臺設備一頭是(shi)一個小鏟(chan)(chan)子，一頭是(shi)淺表鉆(zhan)(zhan)，可以360度無(wu)死角可視化操作，能(neng)輕松完成鏟(chan)(chan)挖(wa)、淺鉆(zhan)(zhan)、拾取這些動(dong)作。
嫦娥五號的(de)“手臂”纖細、白皙，卻(que)結實有力。如果說人(ren)的(de)手臂力量(liang)來(lai)自肱二頭肌(ji)(ji)、肱撓(nao)肌(ji)(ji)、掌肌(ji)(ji)等，這條集高顏值(zhi)、高科技于一體的(de)機(ji)械臂，各個關節(jie)的(de)力量(liang)來(lai)自安裝在關節(jie)處(chu)的(de)電機(ji)。這就是(shi)由中國航天科技集團四(si)院(yuan)401所(suo)研制(zhi)的(de)表采關節(jie)臂電機(ji)組件。
關(guan)節(jie)臂電機有兩種，重的不(bu)到1斤，輕的不(bu)到半斤，個頭不(bu)大、力(li)氣不(bu)小，而且靈(ling)活機動，精度可達(da)1度以內，能讓(rang)嫦娥(e)五(wu)號指(zhi)哪挖哪。
這些電(dian)機裝在機械臂(bei)各個關節附近，暴露于(yu)月表(biao)環境(jing)中，意味(wei)著它(ta)們要耐受太(tai)陽直射下超過130攝氏(shi)度的高溫(wen)，以(yi)及比地球上大得多的輻射，還要承(cheng)擔真空環境(jing)下難以(yi)散(san)熱(re)而(er)帶來的性能衰減。好在，研制團(tuan)隊已經解決了這些環境(jing)適應性問題。
如果電(dian)(dian)機(ji)(ji)在工作中壞掉或沒電(dian)(dian)了(le)怎(zen)么辦？為(wei)了(le)保(bao)證任務完成(cheng)，研制(zhi)團隊在一個電(dian)(dian)機(ji)(ji)殼體中塞了(le)兩臺電(dian)(dian)機(ji)(ji)，提供(gong)雙重(zhong)保(bao)障(zhang)；同(tong)時還增加了(le)突然斷電(dian)(dian)情況下(xia)對(dui)機(ji)(ji)械臂的位置(zhi)保(bao)持功能，防止機(ji)(ji)械臂因“沒勁”而(er)落在月(yue)面上“摔傷(shang)”，可以說是很貼心了(le)。
怎樣將腳下的樣品舉到頭頂？
針對鉆(zhan)取任務(wu)，航天科技(ji)集團(tuan)五院529廠(chang)為嫦娥五號提供了(le)一套“金剛鉆(zhan)”。
這套鉆取子系統具備鉆進(jin)能力(li)強、排粉能力(li)強、月壤適應(ying)性強三大基本功。
嫦娥五(wu)號不(bu)能移動，落到哪(na)就得在(zai)哪(na)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)，這(zhe)對鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)取適(shi)應性(xing)提(ti)出很高要求。研制團隊(dui)開展(zhan)了(le)上千次地面鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)取試驗，積(ji)累(lei)形成了(le)不(bu)同工況的(de)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)取參數(shu)(shu)數(shu)(shu)據庫；通過在(zai)軌預編程自主控制，實現了(le)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)取子系(xi)統“回轉”“沖擊(ji)”和“回轉+沖擊(ji)”三(san)種模式，以及不(bu)同參數(shu)(shu)的(de)自由切(qie)換，以適(shi)應多種月(yue)壤工況。
為了讓嫦娥五號擁(yong)有(you)百里(li)挑一的獨創鉆頭，科研團隊選用了雙排鉆牙(ya)階梯構型，經過(guo)“千(qian)錘(chui)百煉”，保證鉆進過(guo)程順(shun)暢(chang)可控，具備(bei)對8級(ji)硬度巖石(shi)的鉆進能力。他(ta)們還(huan)為雙排出刃設計了多(duo)個切(qie)削面，使(shi)其能夠撥動(dong)、突(tu)破臨界顆粒(li)(li)與顆粒(li)(li)集群，以便應(ying)對危險(xian)工況、處理大顆粒(li)(li)。
同(tong)時，科(ke)研團隊對(dui)鉆頭采用漸闊的(de)錐形排(pai)粉(fen)槽通(tong)道，與(yu)鉆桿排(pai)粉(fen)槽連(lian)接相通(tong)，形成一體排(pai)粉(fen)通(tong)道，并通(tong)過鉆桿模型的(de)匹配和(he)參數優化，使系統的(de)排(pai)粉(fen)能力大幅提高。
“取(qu)(qu)得(de)著、封(feng)得(de)住”是鉆取(qu)(qu)子(zi)系統(tong)的核(he)心技術(shu)之一。為(wei)保證取(qu)(qu)得(de)的巖芯在提出過程中(zhong)不會(hui)掉(diao)落，系統(tong)采用(yong)開(kai)放式構(gou)型的“8”字形(xing)超彈性(xing)合金絲作為(wei)封(feng)口(kou)方案，與取(qu)(qu)芯軟(ruan)袋末(mo)端(duan)進行一體化縫合，依靠(kao)彈性(xing)收縮力來實現簡單可靠(kao)的封(feng)口(kou)。
嫦(chang)娥五(wu)號鉆(zhan)取(qu)的樣品封入軟袋后，將被裝進環形(xing)封裝容器，再運送到(dao)上升器頂端。月球表面坑洼不(bu)平，如果(guo)嫦(chang)娥五(wu)號著陸時站得不(bu)正，有(you)可(ke)能(neng)影響到(dao)樣品的傳送。
針對低重力(li)下(xia)著陸(lu)姿態(tai)角度對樣(yang)品傳送(song)(song)的不(bu)利影響(xiang)，研(yan)制團隊設(she)計了具有碰撞自(zi)適應能力(li)的傳送(song)(song)方案。通過彈性驅動為月(yue)壤封裝(zhuang)容器提供初始速度，再借助重力(li)，將含有三級(ji)導向(xiang)錐角的封裝(zhuang)容器沿固(gu)定導向(xiang)結(jie)構(gou)傳送(song)(song)到(dao)上升器內。該(gai)方案不(bu)需要續(xu)送(song)(song)機構(gou)，簡(jian)單可靠(kao)，可以(yi)在不(bu)同(tong)著陸(lu)姿態(tai)下(xia)，實現封裝(zhuang)容器精準(zhun)傳送(song)(song)。
樣品打包、拆封都是高科技
據國家航天局消(xiao)息，為(wei)確保月球樣(yang)品在(zai)返回地球過程中保持真(zhen)空密閉以及不受外界環境影響，嫦娥五(wu)號在(zai)月面對樣(yang)品進(jin)行了密封封裝(zhuang)。
從航天科技集團五院510所了解到，相比月面極(ji)高真空環境，地球大(da)氣中不(bu)僅有氣體(ti)(ti)成分，還漂浮(fu)著各種固體(ti)(ti)顆粒，月球樣品接觸到這些(xie)物質就會被污染，科研價(jia)值將大(da)打折(zhe)扣。
為此，該所給嫦娥五(wu)號研制(zhi)了專用打包(bao)裝置(zhi)——密(mi)封(feng)(feng)(feng)封(feng)(feng)(feng)裝子系(xi)統。它能自(zi)動承接、封(feng)(feng)(feng)裝月球(qiu)樣品(pin)，并妥(tuo)善密(mi)封(feng)(feng)(feng)保存。
該系統裝(zhuang)在嫦娥五號最(zui)(zui)頂端，由主(zhu)體框架、密封容器組(zu)件、蓋體組(zu)件和開合機構(gou)組(zu)件等組(zu)成。鏤(lou)空的主(zhu)體框架上分布著(zhu)用(yong)于轉移的棘齒和導向條，鈦合金(jin)和鋁(lv)合金(jin)材料能保證其結(jie)構(gou)強(qiang)度(du)和剛度(du)，并最(zui)(zui)大限度(du)減輕重(zhong)量。
在月面工作階段，該(gai)系統(tong)根(gen)據預先(xian)設定的指令開始工作，先(xian)解除蓋體(ti)(ti)鎖(suo)定，讓蓋體(ti)(ti)豎直抬升、轉動(dong)一(yi)定角度(du)，將容(rong)器口完全敞開；待所有樣品(pin)裝入容(rong)器后，蓋體(ti)(ti)原(yuan)路返回，通過(guo)火工組件鎖(suo)緊并進行高真(zhen)空密封。
等(deng)嫦娥五(wu)號返(fan)回(hui)地(di)面后(hou)，月球(qiu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)可(ke)不是輕易(yi)就能從(cong)密封裝置中(zhong)取出來的。解鈴還(huan)須(xu)系鈴人。510所(suo)研制(zhi)的月球(qiu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)解封分裝操(cao)作(zuo)臺可(ke)以(yi)勝任(ren)此項工作(zuo)，在高純氮氣環(huan)境下對月球(qiu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)進行(xing)收集、登記、描述等(deng)處理，最大限度(du)保證樣(yang)(yang)品(pin)(pin)少受地(di)球(qiu)外(wai)部環(huan)境影(ying)響。
【責任編輯：趙藝涵】