1935.3克！這是人類首次從月球背面采集到的月壤質(zhì)量。
嫦娥六號(hào)任務(wù)期間，作為參研參試人員，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“航天科技集團(tuán)”）張鼐的內(nèi)心一直在“打鼓”——究竟能鉆采多少月壤？
最終，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)測(cè)量，嫦娥六號(hào)任務(wù)采集的月壤，比4年前嫦娥五號(hào)從月球正面采集的多出200余克。其中，通過(guò)鉆取方式采集的月壤，比嫦娥五號(hào)任務(wù)多出約60克。
“這些樣品來(lái)自于月球表面最大、最深、最古老的撞擊盆地，可能包含更深層次的物質(zhì)，對(duì)研究月球的演化過(guò)程具有重要意義。”日前，張鼐告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“多年來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)潛心研制鉆取采樣裝置，打造月球取壤利器，為科學(xué)家們探尋月壤奧秘打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”
電機(jī)僅保溫杯大小
實(shí)施月球采樣任務(wù)時(shí)，鉆取過(guò)程中極易遭遇堅(jiān)硬的玄武巖。如何破巖？除了要有高強(qiáng)度的切削鉆頭，還需要強(qiáng)勁的電機(jī)提供動(dòng)力。
早在2008年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始了電機(jī)研制工作。最大的困難，是如何讓它又輕又小。
“即便電機(jī)質(zhì)量只增加幾百克，也會(huì)讓攜帶它的載具隨之增重，從而影響整個(gè)探測(cè)器的承載和尺寸，進(jìn)而可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料成本大幅增加。”張鼐解釋。
這就意味著，不僅要“魚(yú)和熊掌兼得”，而且要“一舉四得”——電機(jī)的體積、質(zhì)量、功率和扭矩，一個(gè)都不能少！
外殼重就換材料、扭矩小就加減速器、軸承大就改款式……航天科技集團(tuán)孫啟臣笑稱：“孫悟空是千方百計(jì)要翻出如來(lái)的手掌心，我們卻是想方設(shè)法要將組件控制在‘方寸天地’內(nèi)。”
反復(fù)論證，確定多級(jí)“電機(jī)+多級(jí)減速器”方案；再三考量，首次將滾針軸承應(yīng)用到我國(guó)宇航級(jí)產(chǎn)品中；新材料、高強(qiáng)度框架結(jié)構(gòu)等多種“黑科技”加持……團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，終于設(shè)計(jì)出僅有保溫杯般大小、功率卻高達(dá)千瓦以上的電機(jī)。
“疑難雜癥”總是環(huán)環(huán)相扣。此時(shí)，電路控制難題又隨之而來(lái)。
“星上供電電壓只有29伏，要讓電機(jī)功率超過(guò)千瓦級(jí)，供電電流需達(dá)到40安培左右。”張鼐告訴記者，這可能導(dǎo)致電機(jī)剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，就因?yàn)榫植繙囟妊杆偕叨鴵p毀。
大家又巧妙地利用逆變升壓技術(shù)提高電壓、減小電流，并通過(guò)混合潤(rùn)滑方式，在有效化解熱效應(yīng)集聚的同時(shí)，讓整個(gè)機(jī)構(gòu)受力更均勻。
隨著大載荷下輕小型零件易磨損、狹小空間內(nèi)電流波動(dòng)引發(fā)電磁干擾、強(qiáng)電流時(shí)對(duì)電子電路的安全保護(hù)等難題一一獲得破解，歷經(jīng)四代樣機(jī)打磨，研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于研制成功國(guó)內(nèi)首款星用高功率密度電機(jī)。
預(yù)案比《新華字典》還厚
2012年，鉆取采樣裝置邁入工程樣機(jī)的研制階段。
“這是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過(guò)程。”孫啟臣說(shuō)，“裝置既要適應(yīng)月球空間環(huán)境，還要滿足各種地質(zhì)工況要求。”
只有通過(guò)大量鉆取試驗(yàn)，才能制定出萬(wàn)無(wú)一失的任務(wù)預(yù)案。
模擬出月壤是第一步。團(tuán)隊(duì)參考已知的月壤成分、密實(shí)度和力學(xué)參數(shù)，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，聯(lián)合清華大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)展開(kāi)研究。
“我們利用地球上的火山灰、玄武巖等成分相近的原材料，經(jīng)過(guò)篩分、研磨，用直徑10微米至41毫米的顆粒，研制不同配比的模擬月壤材料。”航天科技集團(tuán)尹忠旺告訴記者，這些材料被裝進(jìn)幾米高的桶里，按照一定的密實(shí)度要求擠壓、夯實(shí)，模擬出各種真實(shí)場(chǎng)景下的月壤。
一桶土最多鉆6次，就要更換材料，重新夯實(shí)。團(tuán)隊(duì)成員好似“機(jī)器人”一般，日復(fù)一日地重復(fù)著夯土、鉆取、采樣、分析、改進(jìn)這一系列流程。
每次鉆完，大家又變成了“考古隊(duì)員”，細(xì)心地將鉆孔剖面一層層扒開(kāi)，分析記錄各類參數(shù)，再與此前積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，制定出不同“月壤”環(huán)境下的鉆取方案。
“實(shí)際采樣時(shí)，一旦遇到問(wèn)題，地面就可以根據(jù)鉆取參數(shù)，迅速判斷遇到什么工況，對(duì)應(yīng)哪種方案。”孫啟臣告訴記者，“任務(wù)中，真正用于鉆取的時(shí)間只有65分鐘。我們必須在地面把工作做充分，節(jié)省在軌處理時(shí)間，避免現(xiàn)場(chǎng)‘拍腦門作決策’的情況。”
或許有人不解：何必如此繁瑣，直接“油門到底”“火力全開(kāi)”，豈不省事？
張鼐介紹，鉆取采樣處置方法并非越強(qiáng)烈越好，過(guò)于激進(jìn)的方法會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，造成部分已經(jīng)取到的樣品墜落。因此，執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)從不損失樣品的方案開(kāi)始嘗試，按照由弱至強(qiáng)、逐步提升的原則采用預(yù)案。
經(jīng)過(guò)數(shù)千次鉆取試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)總結(jié)歸納出3大類、46種工況，針對(duì)所有能考慮到的狀況，制訂了比《新華字典》還厚的預(yù)案。2017年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了鉆取采樣裝置正樣研制工作。
從“提心吊膽”到“手拿把攥”
“卡住了！”“啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案！”
操控人員話音剛落，旁邊的孫啟臣，心一下子提到了嗓子眼。每每提及2020年嫦娥五號(hào)在執(zhí)行我國(guó)首次月面采樣任務(wù)時(shí)，提芯上拉樣品軟袋遇阻的那一幕，他仍心有余悸。
38萬(wàn)公里外提拉受阻，一次、兩次處置，均未成功。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)甚至想到了最壞的結(jié)果——如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提不出來(lái)，上升器只能舍棄鉆取樣品，按計(jì)劃起飛。
孫啟臣雖心急如焚，但依然保持冷靜。他判斷，軟袋里可能有較大石塊，卡住了管芯。
操控人員對(duì)照預(yù)案，采取了復(fù)合性措施——將提芯機(jī)構(gòu)輸出能力調(diào)至最大，輔以底部沖擊力，讓軟袋松動(dòng)，終于將樣品袋從鉆桿內(nèi)提取出來(lái)。
“就像血管中血栓一下被捅開(kāi)，接下來(lái)就暢通無(wú)阻了。”孫啟臣記憶猶新。事后，經(jīng)國(guó)家天文臺(tái)確認(rèn)，樣品中果然有石塊。
經(jīng)歷過(guò)這場(chǎng)虛驚，到今年6月嫦娥六號(hào)采樣時(shí)，孫啟臣從容多了：“‘手拿把攥’的感覺(jué)，跟上次的‘提心吊膽’完全不一樣。”
他的自信來(lái)源于這幾年更加完善的地面準(zhǔn)備工作——預(yù)案更充分、更細(xì)化，操作上也更加自主智能。
以前的任務(wù)，是由操控人員監(jiān)視在軌參數(shù)并進(jìn)行研判。而在嫦娥六號(hào)任務(wù)中，鉆取采樣裝置實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)讀取、分析參數(shù)，按程序自主操作。
“在正常工況下，程序會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制電機(jī)升擋降擋、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等。”尹忠旺介紹，如果參數(shù)超出閾值，程序會(huì)自動(dòng)停止鉆進(jìn)，并顯示遇到的問(wèn)題，以及有哪些對(duì)應(yīng)預(yù)案。待地面決策后，再按照控制指令繼續(xù)工作。
如今，嫦娥五號(hào)、六號(hào)任務(wù)已圓滿成功。研發(fā)團(tuán)隊(duì)正向著探測(cè)火星、小行星、木星等任務(wù)發(fā)起新的挑戰(zhàn)。
9月23日，習(xí)近平總書(shū)記在接見(jiàn)探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)參研參試人員代表時(shí)發(fā)表重要講話強(qiáng)調(diào)，探索太空永無(wú)止境。希望航天戰(zhàn)線同志們?cè)俳釉賲枴⒊藙?shì)而上，精心開(kāi)展月球樣品科學(xué)研究，接續(xù)實(shí)施好深空探測(cè)等航天重大工程，推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展，為建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)再立新功。
“這讓我們備受鼓舞，同時(shí)也深感責(zé)任重大。”孫啟臣說(shuō)，“未來(lái)，我們將大力弘揚(yáng)追逐夢(mèng)想、勇于探索、協(xié)同攻堅(jiān)、合作共贏的探月精神，向高質(zhì)量、高效益深空探測(cè)之路繼續(xù)邁進(jìn)！”
1935.3克！這是人類首次從月球背面采集到的月壤質(zhì)量。
嫦娥六號(hào)任務(wù)期間，作為參研參試人員，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“航天科技集團(tuán)”）張鼐的內(nèi)心一直在“打鼓”——究竟能鉆采多少月壤？
最終，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)測(cè)量，嫦娥六號(hào)任務(wù)采集的月壤，比4年前嫦娥五號(hào)從月球正面采集的多出200余克。其中，通過(guò)鉆取方式采集的月壤，比嫦娥五號(hào)任務(wù)多出約60克。
“這些樣品來(lái)自于月球表面最大、最深、最古老的撞擊盆地，可能包含更深層次的物質(zhì)，對(duì)研究月球的演化過(guò)程具有重要意義。”日前，張鼐告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“多年來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)潛心研制鉆取采樣裝置，打造月球取壤利器，為科學(xué)家們探尋月壤奧秘打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”
電機(jī)僅保溫杯大小
實(shí)施月球采樣任務(wù)時(shí)，鉆取過(guò)程中極易遭遇堅(jiān)硬的玄武巖。如何破巖？除了要有高強(qiáng)度的切削鉆頭，還需要強(qiáng)勁的電機(jī)提供動(dòng)力。
早在2008年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始了電機(jī)研制工作。最大的困難，是如何讓它又輕又小。
“即便電機(jī)質(zhì)量只增加幾百克，也會(huì)讓攜帶它的載具隨之增重，從而影響整個(gè)探測(cè)器的承載和尺寸，進(jìn)而可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料成本大幅增加。”張鼐解釋。
這就意味著，不僅要“魚(yú)和熊掌兼得”，而且要“一舉四得”——電機(jī)的體積、質(zhì)量、功率和扭矩，一個(gè)都不能少！
外殼重就換材料、扭矩小就加減速器、軸承大就改款式……航天科技集團(tuán)孫啟臣笑稱：“孫悟空是千方百計(jì)要翻出如來(lái)的手掌心，我們卻是想方設(shè)法要將組件控制在‘方寸天地’內(nèi)。”
反復(fù)論證，確定多級(jí)“電機(jī)+多級(jí)減速器”方案；再三考量，首次將滾針軸承應(yīng)用到我國(guó)宇航級(jí)產(chǎn)品中；新材料、高強(qiáng)度框架結(jié)構(gòu)等多種“黑科技”加持……團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，終于設(shè)計(jì)出僅有保溫杯般大小、功率卻高達(dá)千瓦以上的電機(jī)。
“疑難雜癥”總是環(huán)環(huán)相扣。此時(shí)，電路控制難題又隨之而來(lái)。
“星上供電電壓只有29伏，要讓電機(jī)功率超過(guò)千瓦級(jí)，供電電流需達(dá)到40安培左右。”張鼐告訴記者，這可能導(dǎo)致電機(jī)剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，就因?yàn)榫植繙囟妊杆偕叨鴵p毀。
大家又巧妙地利用逆變升壓技術(shù)提高電壓、減小電流，并通過(guò)混合潤(rùn)滑方式，在有效化解熱效應(yīng)集聚的同時(shí)，讓整個(gè)機(jī)構(gòu)受力更均勻。
隨著大載荷下輕小型零件易磨損、狹小空間內(nèi)電流波動(dòng)引發(fā)電磁干擾、強(qiáng)電流時(shí)對(duì)電子電路的安全保護(hù)等難題一一獲得破解，歷經(jīng)四代樣機(jī)打磨，研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于研制成功國(guó)內(nèi)首款星用高功率密度電機(jī)。
預(yù)案比《新華字典》還厚
2012年，鉆取采樣裝置邁入工程樣機(jī)的研制階段。
“這是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過(guò)程。”孫啟臣說(shuō)，“裝置既要適應(yīng)月球空間環(huán)境，還要滿足各種地質(zhì)工況要求。”
只有通過(guò)大量鉆取試驗(yàn)，才能制定出萬(wàn)無(wú)一失的任務(wù)預(yù)案。
模擬出月壤是第一步。團(tuán)隊(duì)參考已知的月壤成分、密實(shí)度和力學(xué)參數(shù)，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，聯(lián)合清華大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)展開(kāi)研究。
“我們利用地球上的火山灰、玄武巖等成分相近的原材料，經(jīng)過(guò)篩分、研磨，用直徑10微米至41毫米的顆粒，研制不同配比的模擬月壤材料。”航天科技集團(tuán)尹忠旺告訴記者，這些材料被裝進(jìn)幾米高的桶里，按照一定的密實(shí)度要求擠壓、夯實(shí)，模擬出各種真實(shí)場(chǎng)景下的月壤。
一桶土最多鉆6次，就要更換材料，重新夯實(shí)。團(tuán)隊(duì)成員好似“機(jī)器人”一般，日復(fù)一日地重復(fù)著夯土、鉆取、采樣、分析、改進(jìn)這一系列流程。
每次鉆完，大家又變成了“考古隊(duì)員”，細(xì)心地將鉆孔剖面一層層扒開(kāi)，分析記錄各類參數(shù)，再與此前積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，制定出不同“月壤”環(huán)境下的鉆取方案。
“實(shí)際采樣時(shí)，一旦遇到問(wèn)題，地面就可以根據(jù)鉆取參數(shù)，迅速判斷遇到什么工況，對(duì)應(yīng)哪種方案。”孫啟臣告訴記者，“任務(wù)中，真正用于鉆取的時(shí)間只有65分鐘。我們必須在地面把工作做充分，節(jié)省在軌處理時(shí)間，避免現(xiàn)場(chǎng)‘拍腦門作決策’的情況。”
或許有人不解：何必如此繁瑣，直接“油門到底”“火力全開(kāi)”，豈不省事？
張鼐介紹，鉆取采樣處置方法并非越強(qiáng)烈越好，過(guò)于激進(jìn)的方法會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，造成部分已經(jīng)取到的樣品墜落。因此，執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)從不損失樣品的方案開(kāi)始嘗試，按照由弱至強(qiáng)、逐步提升的原則采用預(yù)案。
經(jīng)過(guò)數(shù)千次鉆取試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)總結(jié)歸納出3大類、46種工況，針對(duì)所有能考慮到的狀況，制訂了比《新華字典》還厚的預(yù)案。2017年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了鉆取采樣裝置正樣研制工作。
從“提心吊膽”到“手拿把攥”
“卡住了！”“啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案！”
操控人員話音剛落，旁邊的孫啟臣，心一下子提到了嗓子眼。每每提及2020年嫦娥五號(hào)在執(zhí)行我國(guó)首次月面采樣任務(wù)時(shí)，提芯上拉樣品軟袋遇阻的那一幕，他仍心有余悸。
38萬(wàn)公里外提拉受阻，一次、兩次處置，均未成功。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)甚至想到了最壞的結(jié)果——如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提不出來(lái)，上升器只能舍棄鉆取樣品，按計(jì)劃起飛。
孫啟臣雖心急如焚，但依然保持冷靜。他判斷，軟袋里可能有較大石塊，卡住了管芯。
操控人員對(duì)照預(yù)案，采取了復(fù)合性措施——將提芯機(jī)構(gòu)輸出能力調(diào)至最大，輔以底部沖擊力，讓軟袋松動(dòng)，終于將樣品袋從鉆桿內(nèi)提取出來(lái)。
“就像血管中血栓一下被捅開(kāi)，接下來(lái)就暢通無(wú)阻了。”孫啟臣記憶猶新。事后，經(jīng)國(guó)家天文臺(tái)確認(rèn)，樣品中果然有石塊。
經(jīng)歷過(guò)這場(chǎng)虛驚，到今年6月嫦娥六號(hào)采樣時(shí)，孫啟臣從容多了：“‘手拿把攥’的感覺(jué)，跟上次的‘提心吊膽’完全不一樣。”
他的自信來(lái)源于這幾年更加完善的地面準(zhǔn)備工作——預(yù)案更充分、更細(xì)化，操作上也更加自主智能。
以前的任務(wù)，是由操控人員監(jiān)視在軌參數(shù)并進(jìn)行研判。而在嫦娥六號(hào)任務(wù)中，鉆取采樣裝置實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)讀取、分析參數(shù)，按程序自主操作。
“在正常工況下，程序會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制電機(jī)升擋降擋、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等。”尹忠旺介紹，如果參數(shù)超出閾值，程序會(huì)自動(dòng)停止鉆進(jìn)，并顯示遇到的問(wèn)題，以及有哪些對(duì)應(yīng)預(yù)案。待地面決策后，再按照控制指令繼續(xù)工作。
如今，嫦娥五號(hào)、六號(hào)任務(wù)已圓滿成功。研發(fā)團(tuán)隊(duì)正向著探測(cè)火星、小行星、木星等任務(wù)發(fā)起新的挑戰(zhàn)。
9月23日，習(xí)近平總書(shū)記在接見(jiàn)探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)參研參試人員代表時(shí)發(fā)表重要講話強(qiáng)調(diào)，探索太空永無(wú)止境。希望航天戰(zhàn)線同志們?cè)俳釉賲枴⒊藙?shì)而上，精心開(kāi)展月球樣品科學(xué)研究，接續(xù)實(shí)施好深空探測(cè)等航天重大工程，推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展，為建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)再立新功。
“這讓我們備受鼓舞，同時(shí)也深感責(zé)任重大。”孫啟臣說(shuō)，“未來(lái)，我們將大力弘揚(yáng)追逐夢(mèng)想、勇于探索、協(xié)同攻堅(jiān)、合作共贏的探月精神，向高質(zhì)量、高效益深空探測(cè)之路繼續(xù)邁進(jìn)！”
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