“嫦娥挖土”的“一臂之力”是怎么煉成的

李麗云 王思聰

嫦娥五號在月亮之上“挖土”，舉世矚目，它的取土手臂什么樣？在哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡稱哈工大）一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，筆者看到了此次應(yīng)用于嫦娥五號的同款備用機(jī)械臂：全長3.7米，結(jié)構(gòu)重量3100克，臂厚僅有1.4毫米。通體銀白色的機(jī)械臂長得平平無奇，卻能精準(zhǔn)地將月壤放入盛放容器中，在這“神奇手臂”縮放自如的背后，是哈工大材料科學(xué)與工程學(xué)院耿林教授團(tuán)隊(duì)張學(xué)習(xí)教授項(xiàng)目組歷時(shí)多年的努力與艱辛。

張學(xué)習(xí)是哈工大材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授，他所在的輕質(zhì)耐熱金屬基復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)，在耿林教授帶領(lǐng)下從事金屬基復(fù)合材料研發(fā)30余年。在嫦娥五號“挖土”之旅中，張學(xué)習(xí)帶領(lǐng)項(xiàng)目組經(jīng)過多年艱苦努力，攻克了鋁基復(fù)合材料在空天領(lǐng)域應(yīng)用的多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，參與研制出嫦娥五號采樣機(jī)械臂。

回憶2020年12月2日深夜，嫦娥五號機(jī)械臂歷經(jīng)近15小時(shí)完成多種復(fù)雜月面自主采樣動作，在7～8平方米的扇形區(qū)域內(nèi)采樣12次，將樣品精確轉(zhuǎn)移至密封容器中，當(dāng)機(jī)械臂提起樣品容器精準(zhǔn)放入封裝容器，圓滿完成了月壤的采樣任務(wù)時(shí)，位于北京的地面控制室響起熱烈掌聲，張學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)成員終于松了一口氣。

為更好地展示機(jī)械臂的特點(diǎn)，張學(xué)習(xí)身穿藍(lán)色工裝，手持銀白色機(jī)械臂模型，一邊模仿機(jī)械臂運(yùn)動，一邊向筆者講述研制機(jī)械臂經(jīng)歷的苦辣酸甜。

張學(xué)習(xí)說，為攻克面向月面環(huán)境的鋁基復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件制備成形一體化技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在多年技術(shù)積累基礎(chǔ)上，結(jié)合月面工作條件進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，在材料制備成形技術(shù)上攻克難點(diǎn)，突破了鋁基復(fù)合材料晶須構(gòu)型理論設(shè)計(jì)、高致密材料制備、復(fù)雜構(gòu)件熱加工過程成形與控性、強(qiáng)韌化與尺寸穩(wěn)定化處理等關(guān)鍵技術(shù)，獲得了十余項(xiàng)國家發(fā)明專利。

針對大尺寸機(jī)械臂彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷同步加載和剛度測試難題，張學(xué)習(xí)等團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過1年多時(shí)間攻關(guān)，自主研發(fā)了大尺寸軸形零件彎扭聯(lián)合加載專用測試裝置，此裝置成功獲得兩項(xiàng)國家發(fā)明專利，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂彎矩和扭矩同步加載，以及剛度的精確測量和強(qiáng)度校核，為產(chǎn)品出廠提供了關(guān)鍵支撐。

“由于形狀特殊的機(jī)械臂沒有通用的檢測裝置，又考慮到月球真空環(huán)境、陽光照射造成產(chǎn)品溫差大，嫦娥五號會面臨極端的環(huán)境，在此條件下，機(jī)械臂很可能因剛度強(qiáng)度不足或熱脹冷縮而變形、降低重復(fù)采樣精度。我們針對這些問題自主研發(fā)了一套不同溫度條件下機(jī)械臂性能檢測裝置，測試表明機(jī)械臂剛度和尺寸穩(wěn)定性超過設(shè)計(jì)要求，保證了機(jī)械臂挖取月壤和轉(zhuǎn)移樣品過程中極高的重復(fù)定位精度。經(jīng)過反反復(fù)復(fù)一年多的試驗(yàn)，進(jìn)行了上百次強(qiáng)度、剛度等多種性能的檢測。”張學(xué)習(xí)說，“只有不停地試驗(yàn)驗(yàn)證，才能在實(shí)際應(yīng)用中萬無一失。”

樓體一點(diǎn)點(diǎn)微小的震動都會影響試驗(yàn)結(jié)果。為了保證試驗(yàn)測量精度，避免環(huán)境影響，張學(xué)習(xí)及項(xiàng)目組只能在晚上進(jìn)行檢測，因?yàn)橹挥心菚r(shí)震動小、測量結(jié)果最準(zhǔn)確。“測試任務(wù)時(shí)間緊、精度要求高，連軸轉(zhuǎn)開展試驗(yàn)成為項(xiàng)目組成員工作的常態(tài)。為了檢測，我們可以連著三天凌晨四點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室出來，就算不睡覺也一定要保證測量結(jié)果的精確。”團(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干錢明芳副教授說。

張學(xué)習(xí)表示，在項(xiàng)目研發(fā)前期，由于一些技術(shù)缺陷，團(tuán)隊(duì)在很長一段時(shí)間內(nèi)都找不到合適的解決辦法，只得不停地試錯(cuò)、完善、調(diào)整……從2010年項(xiàng)目論證，到2013年項(xiàng)目啟動，再到2017年完成技術(shù)攻關(guān)、2020年成功登月……在此過程中，中國空間技術(shù)研究院總體部機(jī)械臂研究所給予了大力幫助，哈工大武高輝、單德彬、徐文臣教授等多位專家給予了技術(shù)幫助和指導(dǎo)，為項(xiàng)目的順利實(shí)施發(fā)揮了重要作用。

“未來一系列國家重大任務(wù)對新材料研發(fā)提出了更高要求，只有不斷創(chuàng)新，才能滿足需要。”針對未來發(fā)展，哈工大材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人耿林說。

嫦娥五號工程是我國探月工程“繞”“落”“回”中的最后一步，發(fā)射的中國首個(gè)實(shí)施無人月面取樣返回的月球探測器是中國航天迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。嫦娥五號探測器在2020年11月24日發(fā)射升空，機(jī)械臂僅用近15小時(shí)就完成了12次采集表層月壤，圓滿完成表層月壤的采樣任務(wù)。