文章來源(yuan)：科(ke)技日報 發布時間：2021-12-07
據國家航天(tian)局消(xiao)息，嫦(chang)娥五號探測器經過約19小時(shi)月(yue)面工作，于12月(yue)2日22時(shi)順利完成月(yue)球(qiu)表面自動采樣(yang)，并已(yi)按預(yu)定形(xing)式將(jiang)樣(yang)品封裝保存在上升(sheng)器攜帶(dai)的(de)貯存裝置(zhi)中(zhong)。
自動采樣(yang)(yang)是此(ci)次任務的核心關鍵環(huan)節之一。嫦娥五號通過(guo)機械(xie)臂表取、鉆具(ju)鉆取，通過(guo)深鉆、淺鉆、鏟土、挖土、夾(jia)土等各種方式，實現(xian)了(le)多點(dian)、多樣(yang)(yang)化自動采樣(yang)(yang)。目前(qian)，它(ta)已經把樣(yang)(yang)品打包裝好(hao)，準(zhun)備(bei)背著它(ta)們離開月球(qiu)。
這么(me)復雜的工作，它(ta)是怎么(me)完成(cheng)的？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖(wa)土(tu)無疑是件揮汗如(ru)雨(yu)的體(ti)力活(huo)。嫦(chang)娥五號挖(wa)土(tu)的畫(hua)風又是如(ru)何？
在月面超過100攝(she)氏度的(de)高溫考驗下，它克(ke)服了測控、光照、電源等方面的(de)條件(jian)約束，舒展長臂，高高舉起(qi)了挖土鏟……
此處需注明的(de)是，嫦娥五(wu)號的(de)挖土(tu)鏟，可跟咱們在生活中用(yong)到的(de)不一(yi)樣。這(zhe)臺設備(bei)一(yi)頭是一(yi)個小(xiao)鏟子，一(yi)頭是淺表鉆(zhan)，可以360度無死角可視化操(cao)作，能輕(qing)松完成(cheng)鏟挖、淺鉆(zhan)、拾取這(zhe)些動作。
嫦娥五號的(de)(de)(de)“手臂(bei)(bei)”纖細(xi)、白皙，卻結實有力。如果說人(ren)的(de)(de)(de)手臂(bei)(bei)力量(liang)來自肱二頭(tou)肌(ji)(ji)(ji)、肱撓肌(ji)(ji)(ji)、掌(zhang)肌(ji)(ji)(ji)等(deng)，這條(tiao)集(ji)高顏值、高科技于一體的(de)(de)(de)機械臂(bei)(bei)，各個關節(jie)的(de)(de)(de)力量(liang)來自安(an)裝(zhuang)在關節(jie)處的(de)(de)(de)電機。這就是由中國(guo)航天(tian)科技集(ji)團(tuan)四院401所研制的(de)(de)(de)表采關節(jie)臂(bei)(bei)電機組件。
關(guan)節臂電機(ji)有兩種(zhong)，重的不(bu)到(dao)1斤，輕的不(bu)到(dao)半斤，個頭不(bu)大、力氣不(bu)小，而且靈活(huo)機(ji)動，精度可達(da)1度以內，能讓嫦娥(e)五號(hao)指哪(na)挖哪(na)。
這(zhe)些電機裝在機械臂各(ge)個關節附近，暴(bao)露于月表(biao)環境(jing)中，意味著它(ta)們要耐受太陽直射(she)下超(chao)過130攝氏度的(de)(de)高(gao)溫，以及比地(di)球上大得(de)多的(de)(de)輻(fu)射(she)，還要承擔真(zhen)空(kong)環境(jing)下難以散熱而(er)帶來(lai)的(de)(de)性能衰(shuai)減(jian)。好(hao)在，研(yan)制團隊已(yi)經(jing)解決了這(zhe)些環境(jing)適(shi)應性問題。
如(ru)果電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)在(zai)工作中壞(huai)掉(diao)或沒電(dian)(dian)了(le)怎么(me)辦？為(wei)了(le)保(bao)證任務完(wan)成，研制團隊在(zai)一個電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)殼(ke)體中塞了(le)兩臺(tai)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，提供雙重(zhong)保(bao)障(zhang)；同時還增(zeng)加了(le)突(tu)然(ran)斷電(dian)(dian)情(qing)況下對機(ji)(ji)(ji)械臂的位置保(bao)持功(gong)能，防止機(ji)(ji)(ji)械臂因“沒勁”而落在(zai)月面上“摔傷”，可以(yi)說是很貼心了(le)。
怎(zen)樣將腳下(xia)的樣品舉到(dao)頭頂(ding)？
針(zhen)對鉆取任務，航天科技集團(tuan)五(wu)院529廠為(wei)嫦娥五(wu)號提供了一套(tao)“金剛鉆”。
這套鉆取子系統具備鉆進能(neng)力強、排粉能(neng)力強、月壤適應(ying)性強三大基本功。
嫦娥五號不(bu)能移動(dong)，落到哪就(jiu)得在哪鉆(zhan)(zhan)，這對鉆(zhan)(zhan)取(qu)適應性提出很高要(yao)求。研制團隊(dui)開展(zhan)了(le)上千次地面鉆(zhan)(zhan)取(qu)試驗，積累形成了(le)不(bu)同工況(kuang)的(de)鉆(zhan)(zhan)取(qu)參數(shu)數(shu)據庫；通過在軌預(yu)編程(cheng)自主控(kong)制，實現了(le)鉆(zhan)(zhan)取(qu)子系(xi)統“回(hui)轉(zhuan)”“沖擊”和“回(hui)轉(zhuan)+沖擊”三種模式，以及不(bu)同參數(shu)的(de)自由切換(huan)，以適應多種月(yue)壤工況(kuang)。
為了讓嫦娥五號擁(yong)有百(bai)(bai)里挑(tiao)一的獨創鉆(zhan)頭，科(ke)研團隊選用(yong)了雙(shuang)排鉆(zhan)牙階(jie)梯構型，經過“千錘百(bai)(bai)煉”，保證鉆(zhan)進過程順暢(chang)可控，具備(bei)對(dui)8級(ji)硬度巖石的鉆(zhan)進能(neng)力。他們還(huan)為雙(shuang)排出(chu)刃設計了多個(ge)切削面，使其能(neng)夠撥動(dong)、突破臨界顆粒與顆粒集群，以便(bian)應(ying)對(dui)危險(xian)工況、處理大顆粒。
同時，科研團(tuan)隊(dui)對鉆(zhan)頭(tou)采用(yong)漸闊的錐(zhui)形排粉槽(cao)通道，與鉆(zhan)桿排粉槽(cao)連接(jie)相通，形成一(yi)體排粉通道，并通過鉆(zhan)桿模型的匹配和參數優化，使系統的排粉能(neng)力(li)大幅提高。
“取(qu)得(de)(de)著(zhu)、封(feng)得(de)(de)住”是鉆取(qu)子系(xi)統(tong)的核(he)心技術之一。為(wei)保證取(qu)得(de)(de)的巖芯在(zai)提出過程(cheng)中不會掉落，系(xi)統(tong)采(cai)用開放式構(gou)型(xing)的“8”字形(xing)超彈性合(he)金絲作為(wei)封(feng)口方案，與(yu)取(qu)芯軟袋末端進行一體化縫合(he)，依靠彈性收縮力來(lai)實現簡單可靠的封(feng)口。
嫦(chang)娥(e)五號(hao)鉆取(qu)的樣品封(feng)入軟袋后，將被裝進環形(xing)封(feng)裝容器，再運送到(dao)(dao)上升器頂端。月(yue)球表面坑洼不平(ping)，如果嫦(chang)娥(e)五號(hao)著陸時站(zhan)得不正，有可能(neng)影響到(dao)(dao)樣品的傳送。
針對低(di)重力(li)下著陸(lu)姿(zi)態角(jiao)度對樣品(pin)傳(chuan)送(song)的(de)不利影(ying)響，研制團隊設計(ji)了具有碰撞自適應能(neng)力(li)的(de)傳(chuan)送(song)方案。通過彈性驅動為月(yue)壤封(feng)裝容器(qi)(qi)提供初(chu)始速度，再借助重力(li)，將含(han)有三級導向錐角(jiao)的(de)封(feng)裝容器(qi)(qi)沿固定導向結構(gou)傳(chuan)送(song)到上(shang)升器(qi)(qi)內(nei)。該方案不需要(yao)續送(song)機構(gou)，簡單可靠，可以在不同(tong)著陸(lu)姿(zi)態下，實現封(feng)裝容器(qi)(qi)精準傳(chuan)送(song)。
樣品打包、拆封都是高科技
據國家航天(tian)局消息，為確保(bao)月球(qiu)樣品(pin)在(zai)返回地球(qiu)過程中(zhong)保(bao)持真空密(mi)閉以及不受外界(jie)環境影(ying)響，嫦(chang)娥五號在(zai)月面對樣品(pin)進(jin)行(xing)了密(mi)封封裝(zhuang)。
從(cong)航(hang)天科技(ji)集團五院510所了解到，相比月面極高(gao)真空環境，地球大氣中不僅有氣體(ti)成分(fen)，還漂浮(fu)著各(ge)種固體(ti)顆粒(li)，月球樣品接觸到這些(xie)物質就會被污染，科研價值將大打(da)折扣。
為此，該所給嫦娥五號研(yan)制(zhi)了專用打包裝(zhuang)置——密(mi)封封裝(zhuang)子系統。它(ta)能自(zi)動承接、封裝(zhuang)月球樣品，并妥善密(mi)封保存。
該系統裝在嫦(chang)娥五號最頂端，由主(zhu)體(ti)(ti)框架、密(mi)封(feng)容器組(zu)(zu)件、蓋體(ti)(ti)組(zu)(zu)件和(he)開合(he)機構組(zu)(zu)件等組(zu)(zu)成。鏤空的主(zhu)體(ti)(ti)框架上分(fen)布著(zhu)用于轉移的棘齒和(he)導向(xiang)條，鈦合(he)金和(he)鋁(lv)合(he)金材料能保(bao)證(zheng)其結構強度和(he)剛度，并最大限度減(jian)輕重(zhong)量。
在月(yue)面工作階段，該系統根據預先(xian)設定的指令(ling)開始工作，先(xian)解除蓋體(ti)鎖定，讓(rang)蓋體(ti)豎(shu)直(zhi)抬(tai)升、轉動(dong)一定角度，將容器(qi)口完全敞開；待所有(you)樣品裝入容器(qi)后(hou)，蓋體(ti)原路返(fan)回(hui)，通過(guo)火工組(zu)件鎖緊(jin)并進行高真空(kong)密(mi)封。
等嫦娥五號返回地面(mian)后(hou)，月(yue)球(qiu)(qiu)樣(yang)品可(ke)不(bu)是輕易(yi)就(jiu)能(neng)從密(mi)封(feng)裝置中取出來的(de)。解(jie)(jie)鈴(ling)(ling)還須系鈴(ling)(ling)人。510所研(yan)制的(de)月(yue)球(qiu)(qiu)樣(yang)品解(jie)(jie)封(feng)分裝操(cao)作臺(tai)可(ke)以勝任此項工作，在高(gao)純氮(dan)氣環(huan)境下(xia)對月(yue)球(qiu)(qiu)樣(yang)品進行(xing)收集(ji)、登記、描述等處理，最大限(xian)度(du)保證樣(yang)品少受地球(qiu)(qiu)外(wai)部(bu)環(huan)境影響。
【責任編輯(ji)：趙(zhao)藝涵(han)】