12月17日，我國(guó)“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器返回器在內(nèi)蒙古四子王旗著陸，成功完成探月任務(wù)。本次探月返回過(guò)程中，“嫦娥五號(hào)”軌道器、返回器組合體與上升器順利完成交會(huì)對(duì)接，太空中“接回”了月壤。而幾牛的力，剛好是推動(dòng)重達(dá)數(shù)噸的軌道器、返回器組合體向上升器對(duì)接的關(guān)鍵。
來(lái)自天津航天機(jī)電設(shè)備研究所的科研團(tuán)隊(duì)為了確保這幾牛力“使得對(duì)”“用得準(zhǔn)”，反復(fù)攻堅(jiān)了7年。從打造平臺(tái)開始，通過(guò)一次次的技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、算法創(chuàng)新、試驗(yàn)創(chuàng)新，最終確保了任務(wù)的完成，把月壤帶回地面。
一分一毫不容有誤
“雖然我國(guó)已掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，但與以往的地球軌道交會(huì)對(duì)接相比，在38萬(wàn)公里的月球軌道上沒(méi)有辦法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的幫助，完全要靠探測(cè)器自己來(lái)完成對(duì)接，這就需要突破月球軌道測(cè)控精度、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)際驗(yàn)證‘精準(zhǔn)接，無(wú)縫轉(zhuǎn)’的交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程，需要在地面開展全物理仿真試驗(yàn)，而該試驗(yàn)就是在天津航天機(jī)電設(shè)備研究所打造的天津市微低重力環(huán)境模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的。”天津航天機(jī)電設(shè)備研究所的技術(shù)人員說(shuō)。
據(jù)了解，在實(shí)驗(yàn)室中，地面交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)使用的敏感器和執(zhí)行器都是真實(shí)產(chǎn)品，要模擬它們?cè)谔窄h(huán)境中的對(duì)接狀態(tài)，需要用通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣產(chǎn)生的推力來(lái)讓數(shù)噸重的模擬器改變軌道和姿態(tài)。雖然推力只有幾牛，但差之毫厘，失之千里，科研人員們一分一毫都不能有誤。為此，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所特別研制了總面積達(dá)1200平方米、單塊平臺(tái)水平度僅2角秒、拼縫高度差僅10微米的大型超平支撐平臺(tái)。
科研人員說(shuō)，只有這么高的精度，才能保證“嫦娥五號(hào)”模擬器在平臺(tái)上進(jìn)行近乎無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證探測(cè)器交會(huì)對(duì)接過(guò)程中的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)。
“嫦娥五號(hào)”相關(guān)部件
攻堅(jiān)克難從地基開始
為了保障試驗(yàn)精度，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所的科研團(tuán)隊(duì)完成了地基、支撐機(jī)構(gòu)、平臺(tái)本體、控制系統(tǒng)和調(diào)平系統(tǒng)等全方位的攻堅(jiān)克難。從地基開始，科研團(tuán)隊(duì)就針對(duì)天津本土地質(zhì)條件，打造建設(shè)了高精度穩(wěn)定系統(tǒng)。
“我們的科研團(tuán)隊(duì)采用摩擦樁和高標(biāo)號(hào)水泥澆筑的方法，為整個(gè)大平臺(tái)建設(shè)提供了一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。為了增強(qiáng)設(shè)備基礎(chǔ)與支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間的連接貼合性與接觸剛度，科研人員還將高精度的花崗巖墊石澆注在地基內(nèi)。”天津航天機(jī)電設(shè)備研究所的技術(shù)人員介紹，地基與平臺(tái)之間采用的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是天津航天機(jī)電設(shè)備研究所擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。每塊平臺(tái)下方由六套支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有的負(fù)責(zé)支持，有的負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)平臺(tái)位姿，有的負(fù)責(zé)增強(qiáng)支撐剛度。1200根支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證了進(jìn)行試驗(yàn)的模擬器即便在最危險(xiǎn)工況下仍能順利通過(guò)拼接縫。
此外，用什么材料打造大型超平支撐平臺(tái)本體也是核心難題之一。科研人員原本考慮過(guò)使用鑄鐵的方式，但是鑄鐵平臺(tái)可維護(hù)性較差，手觸、生銹、除銹都會(huì)影響平臺(tái)的平整度，最終還是選擇了放棄這個(gè)方案。經(jīng)過(guò)多方考證，最終，來(lái)自濟(jì)南的花崗巖走入了科研團(tuán)隊(duì)的視線。這種花崗巖具有抗壓強(qiáng)度高、耐腐蝕等良好的物理特性，是建造大平臺(tái)的理想材料。最終，200塊特供的天然濟(jì)南青花崗巖被使用在了平臺(tái)上。
多種前沿技術(shù)參與試驗(yàn)過(guò)程
雖然這200塊青花崗巖運(yùn)來(lái)了，但如何拼得絲毫不差？這成為考驗(yàn)科研團(tuán)隊(duì)的難題。為了把這200塊花崗巖調(diào)整到水平度和拼接縫高度滿足試驗(yàn)參數(shù)要求，科研人員特別研制了自主巡航檢測(cè)車對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行精度測(cè)量和自動(dòng)調(diào)平，相比傳統(tǒng)的人工檢測(cè)與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間從1-2個(gè)月縮短到24小時(shí)，大幅提高了工作效率和支撐平臺(tái)的保障能力。
大型超平支撐平臺(tái)
天津航天機(jī)電設(shè)備研究所相關(guān)負(fù)責(zé)人透露：“大型超平支撐平臺(tái)也是氣浮式微重力試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)設(shè)施，在其上能夠開展大量試驗(yàn)研究工作。目前除‘嫦娥五號(hào)’任務(wù)外，該平臺(tái)還實(shí)施了空間站、大型展開機(jī)構(gòu)等十余項(xiàng)各類型號(hào)和創(chuàng)新試驗(yàn)任務(wù)，未來(lái)還將為執(zhí)行載人登月、空間編隊(duì)飛行、深空探測(cè)等重大工程任務(wù)提供強(qiáng)有力的支撐。”
該負(fù)責(zé)人表示，大型超平支撐平臺(tái)的研制成功使我國(guó)徹底告別了手工調(diào)試平臺(tái)的歷史，讓氣浮支撐平臺(tái)物理仿真一舉躍上世界領(lǐng)先水平。后續(xù)，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所將繼續(xù)深入研究探索，不斷迭代發(fā)展大型超平支撐平臺(tái)技術(shù)和低微重力模擬仿真技術(shù)，為更多的用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。
除此之外，天津航天機(jī)電設(shè)備研究所的另一項(xiàng)產(chǎn)品，也在不經(jīng)意間進(jìn)入了全國(guó)觀眾的眼中。前幾日央視探訪“嫦娥五號(hào)”模擬試驗(yàn)場(chǎng)時(shí)懸掛在半空中的那個(gè)亮眼的“包子氣球”正是由天津航天機(jī)電設(shè)備研究所研制的月球表面采樣機(jī)械臂1/6g重力氣懸浮補(bǔ)償裝置。
據(jù)介紹，該裝置主要用于月球重力環(huán)境模擬，為采樣機(jī)械臂地面試驗(yàn)和測(cè)試提供較為真實(shí)的工作環(huán)境，對(duì)采樣機(jī)械臂在月面重力環(huán)境下采樣、放樣及轉(zhuǎn)移初級(jí)封裝容器到密封封裝容器的全任務(wù)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。這款倒置的“包子”氣球在滿足試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境要求的同時(shí)，還給整個(gè)裝置染上了濃郁的天津風(fēng)味，令人津津樂(lè)道。
據(jù)天津航天機(jī)電設(shè)備研究所相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，本次“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器任務(wù)中，該所還承制了上升器、著陸器太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)、定向天線壓緊釋放機(jī)構(gòu)、著陸器太陽(yáng)翼壓緊釋放裝置、表面采樣機(jī)械臂壓緊釋放裝置、樣品容器連接解鎖裝置等等多項(xiàng)星上產(chǎn)品，并完成了采樣區(qū)域模擬月面形貌制備與構(gòu)筑系統(tǒng)任務(wù)，以及探測(cè)器熱控實(shí)施、裝配和地面保障等多項(xiàng)任務(wù)，為“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器探月任務(wù)的成功完成提供了全方位的保障。
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