高校院所鼎力助推“嫦五”挖土成功

香港理工大學創新塔。

2020年11月24日4時30分，我國在中國文昌航天發射場，用長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器。南京航空航天大學的超聲電機、著陸緩沖技術等技術團隊助力“嫦五”飛天。

“發射的場景很壯觀，我們團隊在現場見證了嫦娥五號成功飛天，大家都很激動。”11月24日中午，記者撥通中國科學院院士、南京航空航天大學教授趙淳生電話時，他還沉浸在發射成功的喜悅中。

此前，趙淳生院士團隊的超聲電機已成功應用在嫦娥四號和嫦娥三號巡視器上，主要負責紅外成像光譜儀內定標板的驅動與控制，功能類似光譜儀“艙門的開關”。

與傳統電機相比，超聲電機具有響應快、精度高、噪聲小、無電磁干擾等優點。嫦娥五號的工作環境對超聲電機的精度和環境都有了更嚴苛的要求。

此次應用在嫦娥五號探測器上的超聲電機，主要用于驅動光譜儀上的二維指向機構，“這個機構會驅動鏡片轉動，將月壤上不同位置的光線反射進光譜儀，協助探測器上的儀器分析月球表面的物質。”南航航空學院教授李華峰告訴記者，他們設計的超聲電機定位的角度精度可達0.1度。

從2015年起，研究團隊就開始研發用在嫦娥五號探測器上的超聲電機，進行了大量的自檢和可靠性確認等工作。“前期嫦娥任務中超聲電機的工作溫度范圍在-30℃至60℃，而在嫦娥五號中的使用溫度區間擴大到-55℃至120℃，超聲電機使用環境的變化很大，這對材料和驅動控制提出了更大的挑戰。”李華峰說，超聲電機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變軟，因此團隊反復驗證以提高材料性能，并改進電路結構設計，確保電機在高溫下也能正常工作。

“通俗地說，就是通過特別設計的緩沖機構，以及緩沖機構內填充的吸能材料，讓著陸器在著陸過程中，有一定緩沖能力，從而讓它穩穩地‘站在月表。”南航研究團隊科研人員表示，此前，該團隊著陸緩沖系統相關研究成果已成功應用于嫦娥三號、四號月球探測器，確保了嫦娥三號、四號探測器在月面的成功著陸。在嫦娥五號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的設計方法及試驗驗證手段。

此外，南航航天學院空間結構與機構課題組瞄準未來深空星表多點位、多任務探測的技術需求，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、質量、復雜度的最小增量為代價，擴展調姿和行走的能力，試圖解決傳統著陸器在月球、火星等表面著陸后不能移動、需要借助巡視器進行較大范圍探測的問題。

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

2020年12月8日理大介紹，嫦娥五號采樣方式包括鉆具鉆取和機械臂表取，理大科研團隊承擔的正是表取采樣系統的研發。

表取采樣指的是利用機械臂在月面進行多點采樣，機械臂由中國空間技術研究院制造，采樣執行裝置則由理大工業及系統工程學系講座教授兼副系主任容啟亮率領20多名香港科研人員研發制造。

容啟亮及其團隊研發的表取采樣執行裝置附著在嫦娥五號的著陸器上，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、初級封裝裝置和近攝相機。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，初級封裝裝置是表取樣本的暫存器，近攝相機則發揮識別樣本和視像導航等作用。

嫦娥五號探測器成功著陸。圖片中國軍網

容啟亮向記者介紹，縱觀全球探月歷程，嫦娥五號采樣任務實現了采樣方式和采樣地點的兩大突破，對科研發展無疑有著至關重要的作用。他表示，嫦娥五號創造性地完成了月面自動表取采樣并封裝。在采樣地點上，嫦娥五號沒有選擇曾經被采樣的地點，而是開拓了一處受風化影響較小、月壤沒有被采集過的“處女地”。

從2012年完成原理樣機研發到向國家交付正樣件，再到嫦娥五號成功完成表取采樣，容啟亮形容“這些年走過的每一步都是挑戰”。單以表取采樣執行裝置為例，這一裝置是在月球面向太陽的地方運作，月面溫度高達110攝氏度，所以容啟亮團隊設計的系統必須能夠克服極高溫、宇宙射線等極端環境并保持樣本穩定。

容啟亮說，香港是一座開放型的城市，科學家有機會接觸各種前沿的科學理念，但僅僅有好的想法、沒有雄厚的科研實力是遠遠不夠的，國家給予香港科研人才承擔重大科研項目的機會，鼓勵香港科研人員融入國家發展，更是促進了香港在國家科研發展中承擔重要角色。

◎ 來源| 綜合科技日報、新華每日電訊