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科技日报|月亮之上 嫦娥五号如何挖运土样

月亮之上


科技日报|月亮之上 嫦娥五号如何挖运土样
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图1/1

本报采访人员?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……
【科技日报|月亮之上 嫦娥五号如何挖运土样】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安装在关节处的电机 。 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 。
关节臂电机有两种 ， 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 。
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两台电机 ， 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 。
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”字形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 。
采访人员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 。
（文字素材：胡俊?刘晓庆?刘璐?马聪）

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