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“嫦娥五号”如何敲击、钻取月壤?研制16款电机

发表时间: 2020-11-27

“嫦娥五号”探测器今天在中国文昌航天发射场成功发射,踏上了前往月球采样并返回地球的征程。在月壤采样环节的敲击、钻取、提升、封装、对接转移、返回地球等流程中,上海科研机构研制的电机将发挥重要作用。

中国电子科技集团公司第二十一研究所(以下简称21所)主要负责“嫦娥五号”配套电机设计研发,提供相关配套产品共计5个类别、16款产品。这些电机需要在尺寸、重量严格受限的情况下,精准驱动探测器完成一系列关键作业,并接受月球恶劣的高低温交变和月尘考验。

“嫦娥”携带的“锤子”能敲碎岩石

在月壤采样环节中,如果月球探测器降落地点的表层土壤下存在大块岩石,会给钻取采样造成很大困难。科学家考虑到这一点,为“嫦娥五号”配上了一把“小锤子”,即冲击机构。它要做的是敲碎钻取过程中遇到的大块月岩,保证取样顺利进行。冲击机构要完成稳、准、狠的敲击动作,其动力来源于一款直径60毫米的行星减速无刷直流电动机。

项目负责人程远介绍,月球环境为真空状态,无法像地球上通过空气传导,将电机运行时产生的热量散发出去,所以会造成热量大量堆积在电机内部,时间一长就会导致电机过热烧毁。另外,由于探测器体积有限,所有电机都要求小型化、轻量化,但这款电机又要提供足够的动力,怎么办?程远带领团队反复论证,在无刷直流电动机的前端加装了行星减速器,后者的作用是放大电机输出力。这一设计方案,也使电机的温升有效地控制在可靠工作范围内。

防月尘也是一大挑战。程远解释说,月壤的粉尘颗粒非常小,而且月球的重力只有地球的1/6,因此在取样作业过程中,扬尘特别多。如果月尘进入探测器内部,就可能引发故障。为此,她和同事们对探测器内部的电机接口做了精心设计,确保严丝合缝;对于裸露在外的电机机组,他们则采用不含通孔的全封闭结构。

11月17日在中国文昌航天发射场拍摄的长征五号遥五运载火箭。新华社发

“我们研制的产品,在用户单位性能指标测试中一次性全部达标。”程远自豪地说。在前期方案设计时,这个团队进行了大量电磁、力学和热学仿真测试,在很短时间内完成设计方案的计算,得到了用户的认可。

为了在月球打钻,科研人员创新设计

除了敲击,“嫦娥五号”还将在月球上进行钻取,获得比较深的月壤样品。在月球上打钻与提取,主要靠加载电机、整形电机这两个关键部件。

21所高级专家李雨告诉记者,在钻取月壤时,加载电机的功能是推动钻头前进;整形电机则用来将采样到的月壤提起来并装入密闭装置。特别是整形电机,装在“嫦娥五号”着陆器顶部,直接暴露在外太空,所处温度特别高,必须具有极强的环境适应能力。

加载电机

为此,课题组研制了真空带载装置。为了完成电机在模拟月面环境中的全面性能测试,李雨带着徒弟宁剑建经常通宵加班,守在热真箱旁进行详细测试。这类真空带载测试在以前的工程型号从未使用,在“嫦娥五号”项目中第一次尝试使用。“工程需要大胆创新设计,同时新技术也必须小心求证,只有在验证充分的情况下才敢真正应用。”李雨说,“加载电机和整形电机的电磁设计上,我们就采用了一种新型的冲片结构,在不改变体积的前提下,将力矩增加了30%以上。”这种创新设计,将为“嫦娥五号”钻取到符合要求的月壤样品提供保障。

整形电机

3个抱爪将牢牢抱住上升器,完成对接

“嫦娥五号”取完月球样品后,载有样品的上升器将与轨道器对接,把样品转移至返回器内,以便带回地球。在这个至关重要的对接过程中,一款无刷直流电动机将发挥重要作用——驱动抱爪张开和合拢,将上升器牢牢抱住,从而与轨道器进行对接。

“电机上的抱爪结构有3个抱爪,有点像乐扣盒子的锁扣结构,必须扣住上升器。”设计师王永艳解释道。3个抱爪必须保持极高的动作连贯性和一致性,均衡用力,才能完成这次难度很高的对接,从而使样品顺利进入返回器。为了尽可能万无一失,王永艳亲自打磨垫片,多次被砂纸磨破手指。这么做的目的是调整合适的电机轴向间隙,达到0.001—0.02毫米精度,让抱爪机构精准地完成抱抓任务。

21所科研人员在探讨“嫦娥五号”电机研发问题。

据悉,21所还为“嫦娥五号”研制了齿轮减速混合式步进电动机组件、某型号无刷直流电动机,前者用于月球样品的密封封装,后者是确保舱盖关闭、样品取回的动力源。它们能否助力“嫦娥五号”顺利完成各项任务,把月球样品带回地球?让我们拭目以待吧。

栏目主编:黄海华 文字编辑:俞陶然 题图来源:新华社

来源:作者:俞陶然


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