1935.3克!這是人類(lèi)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(chēng)“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)?！?/p>
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,?！睆堌窘忉尅?/p>
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(chēng)：“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)?！?/p>
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,?！睆堌靖嬖V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?！睂O啟臣說(shuō),，“裝置既要適應(yīng)月球空間環(huán)境，還要滿(mǎn)足各種地質(zhì)工況要求,?！?/p>
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(lèi)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,?！睂O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(mén)作決策’的情況,。”
或許有人不解：何必如此繁瑣,，直接“油門(mén)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(lèi),、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(huà)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,?！睂O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,?！?/p>
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?！币彝榻B,，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(mǎn)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(huà)強(qiáng)調(diào)，探索太空永無(wú)止境,。希望航天戰(zhàn)線(xiàn)同志們?cè)俳釉賲?、乘?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?！睂O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)!”（記者 付毅飛）
編輯：周大為
