從挖土到運輸，嫦娥五號的“黑科技”有多強？
◎ 胡俊 劉曉慶 劉璐 馬聰 科技日報記者 付毅飛
據國家航天局消息，嫦娥五號探測器經過約19小時月面工作，於12月2日22時順利完成月球表面自動採樣，並已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。
自動採樣是此次任務的核心關鍵環節之一。嫦娥五號通過機械臂表取、鑽具鑽取，通過深鑽、淺鑽、“剷土”“挖土”“夾土”等各種方式，實現了多點、多樣化自動採樣。目前，它已經把樣品打包裝好，準備揹着它們離開月球。
這麼複雜的工作，它是怎麼完成的？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖土無疑是件揮汗如雨的體力活。嫦娥五號“挖土”的畫風又是如何？
在月面超過100攝氏度的高温考驗下，它克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，舒展長臂，高高舉起了“挖土鏟”……
此處需註明的是，嫦娥五號的挖土鏟，可跟咱們在生活中用到的不一樣。這台設備一頭是一個小鏟子，一頭是淺表鑽，可以360度無死角可視化操作，能輕鬆完成鏟挖、淺鑽、拾取這些動作。
*嫦娥五號的“手臂”纖細、白皙，卻結實有力。*如果説人的手臂力量來自肱二頭肌、肱撓肌、掌肌等，這條集高顏值、高科技於一體的機械臂，各個關節的力量來自於安裝在關節處的的電機。這就是由中國航天科技集團四院401所研製的表採關節臂電機組件。
關節臂電機有2種，重的不到1斤，輕的不到半斤，個頭不大、力氣不小，而且靈活機動，精度可達1度以內，能讓嫦娥五號“指哪挖哪”。
探測器在月球表面自動採樣
這些電機裝在機械臂各個關節附近，暴露於月表環境中，意味着它們要耐受太陽直射下超過130攝氏度的高温，以及比地球上大得多的輻射，還要承擔真空環境下難以散熱而帶來的性能衰減。好在，研製團隊已經解決了這些環境適應性問題。
如果電機在工作中壞掉或沒電了怎麼辦？為了保證任務完成，研製團隊在一個電機殼體中塞了2台電機，提供雙重保障。同時還增加了突然斷電情況下對機械臂的位置保持功能，防止機械臂因“沒勁”而落在月面上“摔傷”，可以説是很貼心了。
怎樣將腳下的樣品舉到頭頂？
針對鑽取任務，航天科技集團五院529廠為嫦娥五號提供了一套“金剛鑽”。
這套鑽取子系統，具備鑽進能力強、排粉能力強、月壤適應性強三大“基本功”。
嫦娥五號不能移動，落到哪就得在哪鑽，這對鑽取適應性提出很高要求。研製團隊開展了上千次地面鑽取試驗，積累形成了不同工況的鑽取參數數據庫；通過在軌預編程自主控制，實現了鑽取子系統“迴轉”“衝擊”和“迴轉+衝擊”三種模式，以及不同參數的自由切換，以適應多種月壤工況。
探測器拍攝的月面影像
為了讓嫦娥五號擁有百裏挑一的獨創鑽頭，科研團隊選用了雙排鑽牙階梯構型，經過“千錘百煉”，保證鑽進過程順暢可控，具備對8級硬度岩石的鑽進能力。他們還為雙排出刃設計了多個切削麪，使其能夠撥動、突破臨界顆粒與顆粒集羣，以便應對危險工況、處理大顆粒。
同時，科研團隊對鑽頭採用漸闊的錐形排粉槽通道，與鑽桿排粉槽連接相通，形成一體排粉通道，並通過鑽桿模型的匹配和參數優化，使系統的排粉能力大幅提高。
“取得着、封得住”是鑽取子系統的核心技術之一。為保證取得的巖芯在提出過程中不會掉落，系統採用開放式構型的“8字型”超彈性合金絲作為封口方案，與取芯軟袋末端進行一體化縫合，依靠彈性收縮力來實現簡單可靠的封口。
嫦娥五號鑽取的樣品封入軟袋後，將被裝進環形封裝容器，再運送到上升器頂端。月球表面坑窪不平，如果嫦娥五號着陸時站得不正，有可能影響到樣品的傳送。
*針對低重力下着陸姿態角度對樣品傳送的不利影響，研製團隊設計了具有碰撞自適應能力的傳送方案。*通過彈性驅動為月壤封裝容器提供初始速度，再借助重力，將含有三級導向錐角的封裝容器沿固定導向結構傳送到上升器內。該方案不需要續送機構，簡單可靠，可以在不同着陸姿態下，實現封裝容器精準傳送。
樣品打包、拆封都是高科技
據國家航天局消息，為確保月球樣品在返回地球過程中，保持真空密閉以及不受外界環境影響，嫦娥五號在月面對樣品進行了密封封裝。
記者從航天科技集團五院510所瞭解到，相比月面極高真空環境，地球大氣中不僅有氣體成分，還漂浮着各種固體顆粒，月球樣品接觸到這些物質就會被污染，科研價值將大打折扣。
為此該所給嫦娥五號研製了專用打包裝置——密封封裝子系統。它能自動承接、封裝月球樣品，並妥善密封保存。
該系統裝在嫦娥五號最頂端，由主體框架、密封容器組件、蓋體組件和開合機構組件等組成。鏤空的主體框架上分佈着用於轉移的棘齒和導向條，鈦合金和鋁合金材料能保證其結構強度和剛度，並最大限度減輕重量。
在月面工作階段，該系統根據預先設定的指令開始工作，先解除蓋體鎖定，讓蓋體豎直抬升、轉動一定角度，將容器口完全敞開；待所有樣品裝入容器後，蓋體原路返回，通過火工組件鎖緊並進行高真空密封。
等嫦娥五號返回地面後，月球樣品可不是輕易就能從密封裝置中取出來的，解鈴還須繫鈴人。510所研製的月球樣品解封分裝操作枱可以勝任此項工作，在高純氮氣環境下對月球樣品進行收集、登記、描述等處理，最大限度保證樣品少受地球外部環境影響。
來源：科技日報 文中圖片來自中國航天報