从挖土到运输,嫦娥五号的“黑科技”有多强?

发稿时间:2020-12-06 02:15:47

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  从挖土到运输,嫦娥五号的“黑科技”有多强?

  ◎ 胡俊 刘晓庆 刘璐 马聪 科技日报记者 付毅飞

  据国家航天局消息,嫦娥五号探测器经过约19小时月面工作,于12月2日22时顺利完成月球表面自动采样,并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

  自动采样是此次任务的核心关键环节之一。嫦娥五号通过机械臂表取、钻具钻取,通过深钻、浅钻、“铲土”“挖土”“夹土”等各种方式,实现了多点、多样化自动采样。目前,它已经把样品打包装好,准备背着它们离开月球。

  这么复杂的工作,它是怎么完成的?

  嫦娥的“手臂”指哪挖哪

  挖土无疑是件挥汗如雨的体力活。嫦娥五号“挖土”的画风又是如何?

  在月面超过100摄氏度的高温考验下,它克服了测控、光照、电源等方面的条件约束,舒展长臂,高高举起了“挖土铲”……

  此处需注明的是,嫦娥五号的挖土铲,可跟咱们在生活中用到的不一样。这台设备一头是一个小铲子,一头是浅表钻,可以360度无死角可视化操作,能轻松完成铲挖、浅钻、拾取这些动作。

  嫦娥五号的“手臂”纤细、白皙,却结实有力。如果说人的手臂力量来自肱二头肌、肱挠肌、掌肌等,这条集高颜值、高科技于一体的机械臂,各个关节的力量来自于安装在关节处的的电机。这就是由中国航天科技集团四院401所研制的表采关节臂电机组件。

  关节臂电机有2种,重的不到1斤,轻的不到半斤,个头不大、力气不小,而且灵活机动,精度可达1度以内,能让嫦娥五号“指哪挖哪”。

探测器在月球表面自动采样

  这些电机装在机械臂各个关节附近,暴露于月表环境中,意味着它们要耐受太阳直射下超过130摄氏度的高温,以及比地球上大得多的辐射,还要承担真空环境下难以散热而带来的性能衰减。好在,研制团队已经解决了这些环境适应性问题。

  如果电机在工作中坏掉或没电了怎么办?为了保证任务完成,研制团队在一个电机壳体中塞了2台电机,提供双重保障。同时还增加了突然断电情况下对机械臂的位置保持功能,防止机械臂因“没劲”而落在月面上“摔伤”,可以说是很贴心了。

  怎样将脚下的样品举到头顶?

  针对钻取任务,航天科技集团五院529厂为嫦娥五号提供了一套“金刚钻”。

  这套钻取子系统,具备钻进能力强、排粉能力强、月壤适应性强三大“基本功”。

  嫦娥五号不能移动,落到哪就得在哪钻,这对钻取适应性提出很高要求。研制团队开展了上千次地面钻取试验,积累形成了不同工况的钻取参数数据库;通过在轨预编程自主控制,实现了钻取子系统“回转”“冲击”和“回转+冲击”三种模式,以及不同参数的自由切换,以适应多种月壤工况。

  探测器拍摄的月面影像

  为了让嫦娥五号拥有百里挑一的独创钻头,科研团队选用了双排钻牙阶梯构型,经过“千锤百炼”,保证钻进过程顺畅可控,具备对8级硬度岩石的钻进能力。他们还为双排出刃设计了多个切削面,使其能够拨动、突破临界颗粒与颗粒集群,以便应对危险工况、处理大颗粒。

  同时,科研团队对钻头采用渐阔的锥形排粉槽通道,与钻杆排粉槽连接相通,形成一体排粉通道,并通过钻杆模型的匹配和参数优化,使系统的排粉能力大幅提高。

  “取得着、封得住”是钻取子系统的核心技术之一。为保证取得的岩芯在提出过程中不会掉落,系统采用开放式构型的“8字型”超弹性合金丝作为封口方案,与取芯软袋末端进行一体化缝合,依靠弹性收缩力来实现简单可靠的封口。

  嫦娥五号钻取的样品封入软袋后,将被装进环形封装容器,再运送到上升器顶端。月球表面坑洼不平,如果嫦娥五号着陆时站得不正,有可能影响到样品的传送。

  针对低重力下着陆姿态角度对样品传送的不利影响,研制团队设计了具有碰撞自适应能力的传送方案。通过弹性驱动为月壤封装容器提供初始速度,再借助重力,将含有三级导向锥角的封装容器沿固定导向结构传送到上升器内。该方案不需要续送机构,简单可靠,可以在不同着陆姿态下,实现封装容器精准传送。

  样品打包、拆封都是高科技

  据国家航天局消息,为确保月球样品在返回地球过程中,保持真空密闭以及不受外界环境影响,嫦娥五号在月面对样品进行了密封封装。

  记者从航天科技集团五院510所了解到,相比月面极高真空环境,地球大气中不仅有气体成分,还漂浮着各种固体颗粒,月球样品接触到这些物质就会被污染,科研价值将大打折扣。

  为此该所给嫦娥五号研制了专用打包装置——密封封装子系统。它能自动承接、封装月球样品,并妥善密封保存。

  该系统装在嫦娥五号最顶端,由主体框架、密封容器组件、盖体组件和开合机构组件等组成。镂空的主体框架上分布着用于转移的棘齿和导向条,钛合金和铝合金材料能保证其结构强度和刚度,并最大限度减轻重量。

  在月面工作阶段,该系统根据预先设定的指令开始工作,先解除盖体锁定,让盖体竖直抬升、转动一定角度,将容器口完全敞开;待所有样品装入容器后,盖体原路返回,通过火工组件锁紧并进行高真空密封。

  等嫦娥五号返回地面后,月球样品可不是轻易就能从密封装置中取出来的,解铃还须系铃人。510所研制的月球样品解封分装操作台可以胜任此项工作,在高纯氮气环境下对月球样品进行收集、登记、描述等处理,最大限度保证样品少受地球外部环境影响。

  来源:科技日报 文中图片来自中国航天报

【编辑:朱延静】

来源:administrator  责编:热播
 
 
 
 
 
 

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