我國首次用「機(jī)器手」在外星“挖土”

北京時(shí)間12月2日4時(shí)53分，探月工程嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝。嫦娥五號(hào)探測器自動(dòng)采樣任務(wù)采用表鉆結(jié)合，多點(diǎn)采樣的方式，設(shè)計(jì)了鉆具鉆取和機(jī)械臂表取兩種“挖土”模式。

在外星球用機(jī)器手，我們中國頭一次做

嫦娥五號(hào)著陸器安全降落之后便開始進(jìn)行樣品采集，采集的方式對(duì)于中國航天來說是一次全新的嘗試。

中國工程院院士 國家航天局原局長 探月工程首任總指揮 欒恩杰：著陸器下來以后我就開始取樣了，我們一有個(gè)手去鏟，在外星球用機(jī)器手，我們中國頭一次做。

我們?cè)虑虻你@取機(jī)構(gòu)，這是我們國家頭一次設(shè)計(jì)，我形容成哈爾濱香腸。就在鉆的時(shí)候，它要把鉆取的芯，巖芯的部分要裝到一個(gè)包裹，這個(gè)包裹是一個(gè)長的，所以像個(gè)香腸一樣，要把它緊密地包裹好，封裝好。

這些土壤不能在轉(zhuǎn)移到地球的時(shí)候被地球污染了，因?yàn)榈厍颦h(huán)境和月球環(huán)境是不一樣的，有些物質(zhì)一定要在非常潔凈的環(huán)境下，保持住我們?nèi)〉眠@樣這點(diǎn)東西。

要在38萬公里之外取一捧土，難度可想而知。除了要選擇準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)外，著陸器上的機(jī)械臂和鉆頭必須協(xié)同配合，每一個(gè)步驟都要精到毫厘。

“取土返回”過程大約要經(jīng)歷敲擊、鉆取、封裝、對(duì)接轉(zhuǎn)移、返回地球等環(huán)節(jié)，而在每一個(gè)動(dòng)作背后， “機(jī)械手”在月壤采樣環(huán)節(jié)的等一系列流程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

嫦娥“取土”道道關(guān)后有電機(jī)

當(dāng)嫦娥五號(hào)上的著陸器與軌道器主體分離并著陸后，它的采樣機(jī)械臂與采樣鉆頭就開始了協(xié)同工作。

看到那個(gè)白色的機(jī)械臂了嗎？這個(gè)又細(xì)又長的機(jī)械臂就是挖土的鏟子，可以360度無死角可視化操作，臂的末端一頭是一個(gè)小鏟子，一頭是淺表鉆，可以輕松完成鏟挖、淺鉆、拾取這些動(dòng)作。

機(jī)械臂的動(dòng)力從哪來呢？

如同人體手臂乃至手掌的力量來自肱二頭肌、肱撓肌、掌肌等一樣，機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的力量來自于安裝在關(guān)節(jié)處的的電機(jī)，它們就是表采關(guān)節(jié)臂電機(jī)組件。

表采機(jī)械臂電機(jī)組件是航天四院四〇一所微特電機(jī)事業(yè)部歷時(shí)4年完成研制的產(chǎn)品，過程中解決了諸多難題 ，使產(chǎn)品具有了高可靠性和強(qiáng)適應(yīng)性。

這兩個(gè)電機(jī)，大的重量不超過450克，小的不超過250克，可謂是“個(gè)小勁大還精神”，并且電機(jī)端精度可達(dá)1度以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高精度挖土。

兩種電機(jī)裝在機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)附近，暴露于月表環(huán)境中，這決定了它們要耐受太陽直射下超過130℃的環(huán)境溫度，以及比地球環(huán)境大的多的輻射，還要在真空環(huán)境下承擔(dān)難以散熱帶來的性能衰減。

在這么惡劣的環(huán)境下，電機(jī)會(huì)不會(huì)突然沒電了？為了保證任務(wù)完成，研制團(tuán)隊(duì)將2臺(tái)性能都能滿足任務(wù)要求的電機(jī)“塞”進(jìn)了同一個(gè)電機(jī)殼體中，一個(gè)頂倆，雙向保障。此外，還增加了突然斷電情況下對(duì)機(jī)械臂的位置保持功能，防止機(jī)械臂砸在月球上摔壞。

21所研發(fā)設(shè)計(jì)師李雨表示，“加載電機(jī)”為著陸器在鉆取月壤時(shí)推動(dòng)鉆頭前進(jìn)提供動(dòng)力。

在鉆取的過程中，遇到大塊堅(jiān)硬巖石怎么辦？原來，鉆頭還自帶一個(gè)“錘子”電機(jī)，當(dāng)下探遇阻時(shí)，它能為鉆頭提供敲打動(dòng)力，“篤篤篤”地敲碎石塊。采樣完成后，一個(gè)裝在著陸器頂部的“整形電機(jī)”就該出場了，它將采集到的月壤提升出月面并裝入上升器中的密封封裝裝置。

密封封裝裝置采用了一個(gè)帶位置反饋和絲桿的減速步進(jìn)電機(jī)組件，在月壤裝入前，打開密封蓋，待月壤放進(jìn)來后，再把蓋子密封蓋牢，是確保月壤能被蓋牢并安全返回的關(guān)鍵部件。

該組件產(chǎn)品是航天工程首個(gè)高度集成的輕小型化電機(jī)組件產(chǎn)品。組件被壓縮在密封裝置一個(gè)狹窄的空間里，所以設(shè)計(jì)師將其設(shè)計(jì)的非常小巧，重量僅有400多克，但可輸出不小于550牛的軸向力，可將密封裝置可靠密封。

月球上玩“自拍”還需要“眼睛”和“大腦”

中科院西安光機(jī)所為嫦娥五號(hào)探測器提供的相機(jī)以及視覺系統(tǒng)，不僅為實(shí)現(xiàn)月球表面取土采樣提供“眼睛”和“大腦”，確保采樣任務(wù)完成，還能讓嫦娥在月球表面玩“自拍”。

嫦娥五號(hào)探測器實(shí)現(xiàn)月球正面預(yù)選區(qū)域軟著陸后，正在按計(jì)劃開展月面自動(dòng)采樣等后續(xù)工作，兩臺(tái)全景相機(jī)將承擔(dān)采樣區(qū)月表形貌和月面國旗成像任務(wù)。

中科院西安光機(jī)所月球與深空探測技術(shù)研究室研究員李福：“一個(gè)是拍攝國旗展示系統(tǒng)，另外就是對(duì)整個(gè)月面進(jìn)行立體成像，形成月面地形地貌整個(gè)特征?！?/p>

嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體著陸后全景相機(jī)環(huán)拍成像

嫦娥五號(hào)只有著陸器，沒有巡視器，要拍攝國旗展開過程，只能通過自拍的方式。為此，研制團(tuán)隊(duì)專門為相機(jī)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)，并進(jìn)行了攻關(guān)和試驗(yàn)，確保全景相機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)在月表±100℃的工況下的可靠性，實(shí)現(xiàn)相機(jī)自主轉(zhuǎn)動(dòng)和拍攝。

李福：“我們要在通過轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到一定的角度，實(shí)現(xiàn)拍攝著陸器自身上的一個(gè)國旗。就相當(dāng)于人拿個(gè)自拍竿轉(zhuǎn)過來剛好拍攝自己的圖像?！?/p>

嫦娥五號(hào)在月球表面實(shí)現(xiàn)取土采樣，完全靠機(jī)械來完成，西安光機(jī)所為嫦娥五號(hào)配備的遠(yuǎn)攝相機(jī)，安裝在著陸器月球表面采樣機(jī)械臂上，并通過視覺系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，不僅是機(jī)械臂。

“星際快遞員”組合接力

月球樣本非常珍貴，所以大家也非常期待，怎么帶回來呢？三個(gè)步驟：從月面起飛，在月球軌道上無人交會(huì)對(duì)接，最終帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

這個(gè)過程由三個(gè)“星際快遞員”——嫦娥五號(hào)的上升器、軌道器和返回器接力完成。首先，上升器要帶著月球樣本從月球表面出發(fā)，到達(dá)月球軌道后，它就會(huì)和軌道器和返回器組成的軌返組合體會(huì)合，并把快遞包裹交給它們。

之后，上升器分離，軌返組合體帶著月球樣本從月球軌道向地球軌道轉(zhuǎn)移。進(jìn)入地球軌道后，軌道器則會(huì)告別返回器，最終只有返回器以打水漂的方式飛回地球。我們也期待著中國人自己采集的月球土壤安全抵達(dá)。

原文標(biāo)題：中國首次用「機(jī)器手」外星“挖土”，是時(shí)候展現(xiàn)真正的挖掘技術(shù)了！

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