文章(zhang)來源：科(ke)技日(ri)報(bao) 發布時間：2021-12-07
據國家(jia)航天(tian)局消息，嫦娥五號探測器經過約19小時(shi)月(yue)面工作(zuo)，于12月(yue)2日(ri)22時(shi)順利完成(cheng)月(yue)球(qiu)表(biao)面自(zi)動采樣，并已按預定形式將樣品封裝保存在上(shang)升(sheng)器攜帶(dai)的貯存裝置中。
自(zi)動(dong)采樣是此次任務的核心關鍵環節之(zhi)一。嫦(chang)娥五號(hao)通過機(ji)械(xie)臂表取、鉆(zhan)(zhan)具鉆(zhan)(zhan)取，通過深鉆(zhan)(zhan)、淺鉆(zhan)(zhan)、鏟土(tu)、挖土(tu)、夾土(tu)等各(ge)種方式，實現了多(duo)點(dian)、多(duo)樣化自(zi)動(dong)采樣。目前，它(ta)已(yi)經把樣品打包(bao)裝好，準(zhun)備(bei)背著它(ta)們離開月(yue)球。
這么(me)(me)復(fu)雜的工作，它是怎么(me)(me)完(wan)成的？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖土無(wu)疑是件(jian)揮汗如雨的體(ti)力(li)活(huo)。嫦娥五號挖土的畫風又是如何？
在月面超過(guo)100攝氏度(du)的高溫考驗下，它克服了測控(kong)、光照、電源等方面的條(tiao)件約束，舒展(zhan)長(chang)臂，高高舉起了挖(wa)土鏟……
此(ci)處需注明的(de)是，嫦娥(e)五號的(de)挖(wa)土鏟，可跟咱們在生活(huo)中用到的(de)不一(yi)樣(yang)。這臺設(she)備一(yi)頭是一(yi)個小鏟子，一(yi)頭是淺表鉆(zhan)，可以360度(du)無死角可視(shi)化(hua)操作，能輕松完成鏟挖(wa)、淺鉆(zhan)、拾(shi)取這些動作。
嫦娥五號的“手(shou)臂(bei)(bei)”纖細、白(bai)皙(xi)，卻結實有力。如果說人的手(shou)臂(bei)(bei)力量(liang)來自肱二頭肌、肱撓肌、掌肌等，這條集(ji)高顏(yan)值、高科(ke)技于一體的機(ji)械臂(bei)(bei)，各個關節的力量(liang)來自安裝在關節處(chu)的電機(ji)。這就是由(you)中(zhong)國航天科(ke)技集(ji)團(tuan)四(si)院401所研制的表采(cai)關節臂(bei)(bei)電機(ji)組件。
關節臂電機(ji)有(you)兩(liang)種，重的不(bu)到(dao)(dao)1斤，輕的不(bu)到(dao)(dao)半斤，個頭(tou)不(bu)大、力氣不(bu)小，而且靈活機(ji)動，精度可達1度以(yi)內，能(neng)讓嫦娥五號指哪挖哪。
這些電機(ji)裝在機(ji)械臂各個關節附近，暴露于月表環境中，意味著它們要(yao)耐(nai)受太陽直射下(xia)超過130攝氏度的(de)高溫，以(yi)及比地球上(shang)大(da)得多的(de)輻射，還要(yao)承擔真空環境下(xia)難以(yi)散熱而帶(dai)來的(de)性(xing)能(neng)衰減(jian)。好在，研(yan)制(zhi)團(tuan)隊已經(jing)解(jie)決了(le)這些環境適應性(xing)問題。
如果電(dian)機(ji)在(zai)工作中(zhong)壞掉或沒(mei)(mei)電(dian)了怎么辦？為了保(bao)證任務(wu)完成(cheng)，研制團隊在(zai)一個電(dian)機(ji)殼體(ti)中(zhong)塞了兩臺電(dian)機(ji)，提供(gong)雙(shuang)重(zhong)保(bao)障；同(tong)時還(huan)增加了突(tu)然斷電(dian)情況下對機(ji)械臂的位置保(bao)持功(gong)能，防止機(ji)械臂因“沒(mei)(mei)勁”而落在(zai)月面上“摔傷”，可以說是(shi)很貼心了。
怎樣將腳下的樣品舉到頭頂(ding)？
針對鉆取任務，航天科技集團(tuan)五院529廠(chang)為(wei)嫦娥五號提(ti)供了一套“金剛鉆”。
這套鉆取(qu)子系統具(ju)備鉆進能(neng)力(li)強(qiang)、排粉(fen)能(neng)力(li)強(qiang)、月壤適應性強(qiang)三(san)大(da)基本功(gong)。
嫦娥五號(hao)不(bu)(bu)能移動，落到哪(na)就得在(zai)哪(na)鉆，這對(dui)鉆取適應(ying)性(xing)提(ti)出很高要求(qiu)。研制(zhi)團隊開展(zhan)了(le)上千(qian)次地面鉆取試驗，積累形成了(le)不(bu)(bu)同工況的鉆取參數數據庫；通過在(zai)軌預編程自(zi)主(zhu)控制(zhi)，實現了(le)鉆取子系(xi)統“回轉(zhuan)(zhuan)”“沖擊(ji)”和“回轉(zhuan)(zhuan)+沖擊(ji)”三種模式，以(yi)及不(bu)(bu)同參數的自(zi)由切換，以(yi)適應(ying)多種月(yue)壤工況。
為了讓嫦娥五號擁有百里挑一的(de)獨創鉆頭，科研團隊選(xuan)用了雙(shuang)排鉆牙階梯構(gou)型，經過(guo)“千錘百煉(lian)”，保證鉆進過(guo)程順(shun)暢可(ke)控，具備對8級硬度巖(yan)石的(de)鉆進能力。他們還(huan)為雙(shuang)排出刃設計了多(duo)個(ge)切削面，使其能夠撥(bo)動(dong)、突破臨(lin)界顆(ke)粒與顆(ke)粒集群，以(yi)便應對危險工況、處理大(da)顆(ke)粒。
同時(shi)，科研(yan)團隊對(dui)鉆(zhan)頭采用漸闊的(de)錐形排(pai)粉(fen)(fen)槽(cao)通(tong)道，與(yu)鉆(zhan)桿排(pai)粉(fen)(fen)槽(cao)連接相通(tong)，形成一體排(pai)粉(fen)(fen)通(tong)道，并通(tong)過鉆(zhan)桿模型的(de)匹配和(he)參數優化，使(shi)系統的(de)排(pai)粉(fen)(fen)能(neng)力大幅提高。
“取得(de)(de)(de)著、封得(de)(de)(de)住”是鉆取子系(xi)統(tong)的核心技術(shu)之一。為保證(zheng)取得(de)(de)(de)的巖芯在提出過(guo)程中不會(hui)掉落，系(xi)統(tong)采用開放式構型的“8”字(zi)形超(chao)彈性合(he)金絲作為封口(kou)方案，與取芯軟袋末端(duan)進行一體化縫(feng)合(he)，依靠彈性收縮(suo)力來(lai)實現簡單可(ke)靠的封口(kou)。
嫦(chang)娥五號鉆取的樣(yang)品封入軟袋(dai)后，將(jiang)被裝進環形封裝容器(qi)，再運送(song)到上升器(qi)頂(ding)端。月球表(biao)面坑洼(wa)不平(ping)，如果嫦(chang)娥五號著(zhu)陸時(shi)站得不正，有(you)可能影響到樣(yang)品的傳送(song)。
針對(dui)低重(zhong)力下(xia)著陸姿態(tai)角(jiao)度(du)對(dui)樣品傳(chuan)送(song)的不(bu)利(li)影(ying)響，研制團(tuan)隊設計了具有碰撞自適應能力的傳(chuan)送(song)方(fang)案。通過彈性驅動為月壤封裝容器(qi)(qi)提供初始速度(du)，再借助(zhu)重(zhong)力，將含有三(san)級導(dao)向錐角(jiao)的封裝容器(qi)(qi)沿固定導(dao)向結構傳(chuan)送(song)到(dao)上(shang)升器(qi)(qi)內。該方(fang)案不(bu)需要續(xu)送(song)機(ji)構，簡(jian)單可(ke)靠，可(ke)以(yi)在不(bu)同著陸姿態(tai)下(xia)，實現封裝容器(qi)(qi)精準(zhun)傳(chuan)送(song)。
樣品打包、拆封都是高科技
據國家(jia)航天局(ju)消息，為確保(bao)(bao)月球(qiu)樣(yang)品在返回地球(qiu)過程(cheng)中保(bao)(bao)持真空密閉以(yi)及不(bu)受外界環(huan)境(jing)影(ying)響，嫦娥五號在月面(mian)對樣(yang)品進(jin)行了(le)密封封裝。
從(cong)航(hang)天科(ke)技集團五(wu)院510所了解到，相比月面極高真空環境，地球(qiu)大氣中不僅有氣體成分(fen)，還漂浮著各種(zhong)固(gu)體顆粒，月球(qiu)樣(yang)品接觸到這些物質就會被污染(ran)，科(ke)研價(jia)值將大打(da)折扣。
為(wei)此，該所給嫦娥五號研制了專用打包(bao)裝置——密封封裝子系統(tong)。它能自動(dong)承接、封裝月球樣(yang)品(pin)，并妥善密封保存(cun)。
該(gai)系統裝(zhuang)在嫦娥五號最頂端，由主體(ti)框架(jia)、密封容器(qi)組(zu)(zu)件、蓋體(ti)組(zu)(zu)件和(he)開合(he)(he)機構組(zu)(zu)件等組(zu)(zu)成(cheng)。鏤(lou)空的主體(ti)框架(jia)上分布著用于(yu)轉(zhuan)移(yi)的棘齒和(he)導向(xiang)條，鈦合(he)(he)金和(he)鋁(lv)合(he)(he)金材料能(neng)保證其結構強度(du)和(he)剛度(du)，并(bing)最大限度(du)減輕重(zhong)量。
在月面工(gong)作階段，該系統根據(ju)預(yu)先(xian)設定(ding)(ding)的指令開始工(gong)作，先(xian)解(jie)除蓋體(ti)鎖定(ding)(ding)，讓(rang)蓋體(ti)豎直抬升、轉動一定(ding)(ding)角度，將容(rong)(rong)器(qi)(qi)口(kou)完全(quan)敞開；待(dai)所有樣(yang)品裝入(ru)容(rong)(rong)器(qi)(qi)后，蓋體(ti)原路(lu)返(fan)回，通(tong)過火工(gong)組件(jian)鎖緊并進行高真空密封。
等嫦娥(e)五號(hao)返回地(di)面后，月球樣品(pin)可不(bu)是輕易就(jiu)能從密(mi)封(feng)裝置中取出來的(de)。解鈴還須系鈴人。510所研制(zhi)的(de)月球樣品(pin)解封(feng)分(fen)裝操(cao)作(zuo)臺可以(yi)勝任此(ci)項工作(zuo)，在高(gao)純(chun)氮氣環境(jing)(jing)下對月球樣品(pin)進行(xing)收集、登記、描述等處理(li)，最大限(xian)度保證樣品(pin)少(shao)受(shou)地(di)球外(wai)部環境(jing)(jing)影響。
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