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“嫦娥挖土”的“一臂之力”是怎么炼成的

2021-01-13 16:37:46来源:科技日报

针对这些问题,科研团队自主研发了一套不同温度条件下机械臂性能检测装置,测试表明机械臂刚度和尺寸稳定性超过设计要求,保证了机械臂挖取月壤和转移样品过程中极高的重复定位精度。

嫦娥五号在月亮之上“挖土”,举世瞩目,它的取土手臂什么样?在哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)一个实验室内,记者看到了此次应用于嫦娥五号的同款备用机械臂:全长3.7米,结构重量3100克,臂厚仅有1.4毫米。通体银白色的机械臂长得平平无奇,却能精准地将月壤放入盛放容器中,在这“神奇手臂”缩放自如的背后,是哈工大材料科学与工程学院耿林教授团队张学习教授项目组历时多年的努力与艰辛。

张学习是哈工大材料科学与工程学院的教授,他所在的轻质耐热金属基复合材料团队,在耿林教授带领下从事金属基复合材料研发30余年。在嫦娥五号“挖土”之旅中,张学习带领项目组经过多年艰苦努力,攻克了铝基复合材料在空天领域应用的多项关键性技术,参与研制出嫦娥五号采样机械臂。

回忆2020年12月2日深夜,嫦娥五号机械臂历经近15小时完成多种复杂月面自主采样动作,在7—8平方米的扇形区域内采样12次,将样品精确转移至密封容器中,当机械臂提起样品容器精准放入封装容器,圆满完成了月壤的采样任务时,位于北京的地面控制室响起热烈掌声,张学习和团队成员终于松了一口气。

为更好地展示机械臂的特点,张学习身穿蓝色工装,手持银白色机械臂模型,一边模仿机械臂运动,一边向科技日报记者讲述研制机械臂经历的苦辣酸甜。

张学习说,为攻克面向月面环境的铝基复合材料复杂构件制备成形一体化技术,团队在多年技术积累基础上,结合月面工作条件进一步技术创新,在材料制备成形技术上攻克难点,突破了铝基复合材料晶须构型理论设计、高致密材料制备、复杂构件热加工过程成形与控性、强韧化与尺寸稳定化处理等关键技术,获得了十余项国家发明专利。

针对大尺寸机械臂弯曲和扭转载荷同步加载和刚度测试难题,张学习等团队成员经过1年多时间攻关,自主研发了大尺寸轴形零件弯扭联合加载专用测试装置,此装置成功获得两项国家发明专利,实现了机械臂弯矩和扭矩同步加载,以及刚度的精确测量和强度校核,为产品出厂提供了关键支撑。

“由于形状特殊的机械臂没有通用的检测装置,又考虑到月球真空环境、阳光照射造成产品温差大,嫦娥五号会面临极端的环境,在此条件下,机械臂很可能因刚度强度不足或热胀冷缩而变形、降低重复采样精度。我们针对这些问题自主研发了一套不同温度条件下机械臂性能检测装置,测试表明机械臂刚度和尺寸稳定性超过设计要求,保证了机械臂挖取月壤和转移样品过程中极高的重复定位精度。经过反反复复一年多的试验,进行了上百次强度、刚度等多种性能的检测。”张学习说,“只有不停地试验验证,才能在实际应用中万无一失。”

楼体一点点微小的震动都会影响试验结果。为了保证试验测量精度,避免环境影响,张学习及项目组只能在晚上进行检测,因为只有那时震动小、测量结果最准确。“测试任务时间紧、精度要求高,连轴转开展试验成为项目组成员工作的常态。为了检测,我们可以连着三天凌晨四点从实验室出来,就算不睡觉也一定要保证测量结果的精确。”团队技术骨干钱明芳副教授说。

张学习表示,在项目研发前期,由于一些技术缺陷,团队在很长一段时间内都找不到合适的解决办法,只得不停地试错、完善、调整……从2010年项目论证,到2013年项目启动,再到2017年完成技术攻关、2020年成功登月……在此过程中,中国空间技术研究院总体部机械臂研究所给予了大力帮助,哈工大武高辉、单德彬、徐文臣教授等多位专家给予了技术帮助和指导,为项目的顺利实施发挥了重要作用。

“未来一系列国家重大任务对新材料研发提出了更高要求,只有不断创新,才能满足需要。”针对未来发展,哈工大材料科学与工程学院院长、团队负责人耿林说。

嫦娥五号工程是我国探月工程“绕”“落”“回”中的最后一步,发射的中国首个实施无人月面取样返回的月球探测器是中国航天迄今为止最复杂、难度最大的任务之一。嫦娥五号探测器在2020年11月24日发射升空,机械臂仅用近15小时就完成了12次采集表层月壤,圆满完成表层月壤的采样任务。(记者 李丽云 实习生 王思聪)