香港理工大學(xué)創(chuàng)新塔。

2020年11月24日4時(shí)30分，我國在中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號(hào)探測器。南京航空航天大學(xué)的超聲電機(jī)、著陸緩沖技術(shù)等技術(shù)團(tuán)隊(duì)助力“嫦五”飛天。

“發(fā)射的場景很壯觀，我們團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場見證了嫦娥五號(hào)成功飛天，大家都很激動(dòng)?！?1月24日中午，記者撥通中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授趙淳生電話時(shí)，他還沉浸在發(fā)射成功的喜悅中。

此前，趙淳生院士團(tuán)隊(duì)的超聲電機(jī)已成功應(yīng)用在嫦娥四號(hào)和嫦娥三號(hào)巡視器上，主要負(fù)責(zé)紅外成像光譜儀內(nèi)定標(biāo)板的驅(qū)動(dòng)與控制，功能類似光譜儀“艙門的開關(guān)”。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有響應(yīng)快、精度高、噪聲小、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。嫦娥五號(hào)的工作環(huán)境對超聲電機(jī)的精度和環(huán)境都有了更嚴(yán)苛的要求。

此次應(yīng)用在嫦娥五號(hào)探測器上的超聲電機(jī)，主要用于驅(qū)動(dòng)光譜儀上的二維指向機(jī)構(gòu)，“這個(gè)機(jī)構(gòu)會(huì)驅(qū)動(dòng)鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)，將月壤上不同位置的光線反射進(jìn)光譜儀，協(xié)助探測器上的儀器分析月球表面的物質(zhì)。”南航航空學(xué)院教授李華峰告訴記者，他們設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)定位的角度精度可達(dá)0.1度。

從2015年起，研究團(tuán)隊(duì)就開始研發(fā)用在嫦娥五號(hào)探測器上的超聲電機(jī)，進(jìn)行了大量的自檢和可靠性確認(rèn)等工作?！扒捌阪隙鹑蝿?wù)中超聲電機(jī)的工作溫度范圍在-30℃至60℃，而在嫦娥五號(hào)中的使用溫度區(qū)間擴(kuò)大到-55℃至120℃，超聲電機(jī)使用環(huán)境的變化很大，這對材料和驅(qū)動(dòng)控制提出了更大的挑戰(zhàn)?！崩钊A峰說，超聲電機(jī)需要用膠粘劑將壓電陶瓷片和金屬定子牢牢粘貼在一起，但前期使用的膠粘劑在高溫下會(huì)變軟，因此團(tuán)隊(duì)反復(fù)驗(yàn)證以提高材料性能，并改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保電機(jī)在高溫下也能正常工作。

“通俗地說，就是通過特別設(shè)計(jì)的緩沖機(jī)構(gòu)，以及緩沖機(jī)構(gòu)內(nèi)填充的吸能材料，讓著陸器在著陸過程中，有一定緩沖能力，從而讓它穩(wěn)穩(wěn)地‘站在月表。”南航研究團(tuán)隊(duì)科研人員表示，此前，該團(tuán)隊(duì)著陸緩沖系統(tǒng)相關(guān)研究成果已成功應(yīng)用于嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測器，確保了嫦娥三號(hào)、四號(hào)探測器在月面的成功著陸。在嫦娥五號(hào)和火星探測器著陸緩沖裝置的研制中，這一成果也提供了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證手段。

此外，南航航天學(xué)院空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)課題組瞄準(zhǔn)未來深空星表多點(diǎn)位、多任務(wù)探測的技術(shù)需求，積極開展緩沖、行走一體化星表著陸器的研究工作，取得了一系列成果，可以在保證緩沖性能的前提下，以著陸器的體積、質(zhì)量、復(fù)雜度的最小增量為代價(jià)，擴(kuò)展調(diào)姿和行走的能力，試圖解決傳統(tǒng)著陸器在月球、火星等表面著陸后不能移動(dòng)、需要借助巡視器進(jìn)行較大范圍探測的問題。

中國探月工程嫦娥五號(hào)探測器成功落月并完成核心關(guān)鍵任務(wù)——月面自動(dòng)采樣封裝。在中國首次月面采樣返回的探測任務(wù)中，香港理工大學(xué)（以下簡稱“理大”）科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的表取采樣裝置助力嫦娥五號(hào)在月球表面“挖土”成功，閃耀香港科研團(tuán)隊(duì)在國家重要科研項(xiàng)目中的又一次高光。

2020年12月8日理大介紹，嫦娥五號(hào)采樣方式包括鉆具鉆取和機(jī)械臂表取，理大科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的正是表取采樣系統(tǒng)的研發(fā)。

表取采樣指的是利用機(jī)械臂在月面進(jìn)行多點(diǎn)采樣，機(jī)械臂由中國空間技術(shù)研究院制造，采樣執(zhí)行裝置則由理大工業(yè)及系統(tǒng)工程學(xué)系講座教授兼副系主任容啟亮率領(lǐng)20多名香港科研人員研發(fā)制造。

容啟亮及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的表取采樣執(zhí)行裝置附著在嫦娥五號(hào)的著陸器上，整套裝置由超過400件工件組合而成，包括采樣器甲、采樣器乙、初級(jí)封裝裝置和近攝相機(jī)。采樣器甲和采樣器乙分別用來挖取松散和黏性的月球土壤，初級(jí)封裝裝置是表取樣本的暫存器，近攝相機(jī)則發(fā)揮識(shí)別樣本和視像導(dǎo)航等作用。

嫦娥五號(hào)探測器成功著陸。圖片中國軍網(wǎng)

容啟亮向記者介紹，縱觀全球探月歷程，嫦娥五號(hào)采樣任務(wù)實(shí)現(xiàn)了采樣方式和采樣地點(diǎn)的兩大突破，對科研發(fā)展無疑有著至關(guān)重要的作用。他表示，嫦娥五號(hào)創(chuàng)造性地完成了月面自動(dòng)表取采樣并封裝。在采樣地點(diǎn)上，嫦娥五號(hào)沒有選擇曾經(jīng)被采樣的地點(diǎn)，而是開拓了一處受風(fēng)化影響較小、月壤沒有被采集過的“處女地”。

從2012年完成原理樣機(jī)研發(fā)到向國家交付正樣件，再到嫦娥五號(hào)成功完成表取采樣，容啟亮形容“這些年走過的每一步都是挑戰(zhàn)”。單以表取采樣執(zhí)行裝置為例，這一裝置是在月球面向太陽的地方運(yùn)作，月面溫度高達(dá)110攝氏度，所以容啟亮團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須能夠克服極高溫、宇宙射線等極端環(huán)境并保持樣本穩(wěn)定。

容啟亮說，香港是一座開放型的城市，科學(xué)家有機(jī)會(huì)接觸各種前沿的科學(xué)理念，但僅僅有好的想法、沒有雄厚的科研實(shí)力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，國家給予香港科研人才承擔(dān)重大科研項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)香港科研人員融入國家發(fā)展，更是促進(jìn)了香港在國家科研發(fā)展中承擔(dān)重要角色。

◎ 來源| 綜合科技日報(bào)、新華每日電訊