“嫦娥五号”探测器今天在中国文昌航天发射场成功发射，踏上了前往月球采样并返回地球的征程。在月壤采样环节的敲击、钻取、提升、封装、对接转移、返回地球等流程中，上海科研机构研制的电机将发挥重要作用。
中国电子科技集团公司第二十一研究所（以下简称21所）主要负责“嫦娥五号”配套电机设计研发，提供相关配套产品共计5个类别、16款产品。这些电机需要在尺寸、重量严格受限的情况下，精准驱动探测器完成一系列关键作业，并接受月球恶劣的高低温交变和月尘考验。
“嫦娥”携带的“锤子”能敲碎岩石
在月壤采样环节中，如果月球探测器降落地点的表层土壤下存在大块岩石，会给钻取采样造成很大困难。科学家考虑到这一点，为“嫦娥五号”配上了一把“小锤子”，即冲击机构。它要做的是敲碎钻取过程中遇到的大块月岩，保证取样顺利进行。冲击机构要完成稳、准、狠的敲击动作，其动力来源于一款直径60毫米的行星减速无刷直流电动机。
项目负责人程远介绍，月球环境为真空状态，无法像地球上通过空气传导，将电机运行时产生的热量散发出去，所以会造成热量大量堆积在电机内部，时间一长就会导致电机过热烧毁。另外，由于探测器体积有限，所有电机都要求小型化、轻量化，但这款电机又要提供足够的动力，怎么办？程远带领团队反复论证，在无刷直流电动机的前端加装了行星减速器，后者的作用是放大电机输出力。这一设计方案，也使电机的温升有效地控制在可靠工作范围内。
防月尘也是一大挑战。程远解释说，月壤的粉尘颗粒非常小，而且月球的重力只有地球的1/6，因此在取样作业过程中，扬尘特别多。如果月尘进入探测器内部，就可能引发故障。为此，她和同事们对探测器内部的电机接口做了精心设计，确保严丝合缝；对于裸露在外的电机机组，他们则采用不含通孔的全封闭结构。
11月17日在中国文昌航天发射场拍摄的长征五号遥五运载火箭。新华社发
“我们研制的产品，在用户单位性能指标测试中一次性全部达标。”程远自豪地说。在前期方案设计时，这个团队进行了大量电磁、力学和热学仿真测试，在很短时间内完成设计方案的计算，得到了用户的认可。
为了在月球打钻，科研人员创新设计
除了敲击，“嫦娥五号”还将在月球上进行钻取，获得比较深的月壤样品。在月球上打钻与提取，主要靠加载电机、整形电机这两个关键部件。
21所高级专家李雨告诉记者，在钻取月壤时，加载电机的功能是推动钻头前进；整形电机则用来将采样到的月壤提起来并装入密闭装置。特别是整形电机，装在“嫦娥五号”着陆器顶部，直接暴露在外太空，所处温度特别高，必须具有极强的环境适应能力。
加载电机
为此，课题组研制了真空带载装置。为了完成电机在模拟月面环境中的全面性能测试，李雨带着徒弟宁剑建经常通宵加班，守在热真箱旁进行详细测试。这类真空带载测试在以前的工程型号从未使用，在“嫦娥五号”项目中第一次尝试使用。“工程需要大胆创新设计，同时新技术也必须小心求证，只有在验证充分的情况下才敢真正应用。”李雨说，“加载电机和整形电机的电磁设计上，我们就采用了一种新型的冲片结构，在不改变体积的前提下，将力矩增加了30%以上。”这种创新设计，将为“嫦娥五号”钻取到符合要求的月壤样品提供保障。
整形电机
3个抱爪将牢牢抱住上升器，完成对接
“嫦娥五号”取完月球样品后，载有样品的上升器将与轨道器对接，把样品转移至返回器内，以便带回地球。在这个至关重要的对接过程中，一款无刷直流电动机将发挥重要作用——驱动抱爪张开和合拢，将上升器牢牢抱住，从而与轨道器进行对接。
“电机上的抱爪结构有3个抱爪，有点像乐扣盒子的锁扣结构，必须扣住上升器。”设计师王永艳解释道。3个抱爪必须保持极高的动作连贯性和一致性，均衡用力，才能完成这次难度很高的对接，从而使样品顺利进入返回器。为了尽可能万无一失，王永艳亲自打磨垫片，多次被砂纸磨破手指。这么做的目的是调整合适的电机轴向间隙，达到0.—0.02毫米精度，让抱爪机构精准地完成抱抓任务。
21所科研人员在探讨“嫦娥五号”电机研发问题。
据悉，21所还为“嫦娥五号”研制了齿轮减速混合式步进电动机组件、某型号无刷直流电动机，前者用于月球样品的密封封装，后者是确保舱盖关闭、样品取回的动力源。它们能否助力“嫦娥五号”顺利完成各项任务，把月球样品带回地球？让我们拭目以待吧。
栏目主编：黄海华
本文作者：俞陶然
文字编辑：俞陶然
题图来源：新华社