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盘点“嫦娥五号”黑科技2:钻取子系统“千锤百炼”取芯率高于7

  嫦娥五号任务中,中国航天科技集团有限公司五院529厂承担的首个子系统级产品——钻取子系统将承担月球次表层自主钻取采样任务,采样深度和采样量达到预期指标要求。

  钻取子系统的研制,历时十余年之久。从最初的自主研发课题,到后来的型号立项,再到月球钻取采样,钻取子系统可谓经过千锤百炼。钻取子系统就像这么一个自信满满的剑客,十余年来苦心钻研,工程样机、初样、正样……,就像剑客一次次的闯关,一次次的成长,而钻取子系统的六大关键特性,就像剑客在闯关中精心挑选的利剑,六剑争锋出鞘,相辅相成,为钻取子系统任务完成全力输出。

  钻进能力强:“百里挑一”的独创钻头,通过建立钻进与取芯能力评价体系,对比16种设计方案,最终确定双排钻牙阶梯构型,经过“千锤百炼”,保证钻进过程顺畅可控,具备对8级硬度岩石的钻进能力。同时针对不同颗粒度月壤切削、拨、挤、排能力,双排出刃形成多个切削面,经试验验证能够拨动与突破临界颗粒与颗粒集群,具有较好的解决危险工况和大颗粒的能力。

  排粉能力强:通过钻杆模型的匹配和参数优化,最终确定外螺旋翼设计结构,采用双头、小螺旋升角的设计参数,使得具有其排粉能力裕度大大提高。同时建立排粉与进芯守恒解析模型,采用前排阻隔以及补体局部阻尼结构,有效阻隔了取芯、排粉流场的强关联,大大提高了取芯率及钻进策略的可调整性。钻头采用渐阔的锥形排粉槽通道,与钻杆排粉槽连接相通形成一体的排粉通道。

  月壤适应性强:钻取子系统经历了上千次地面钻取试验,积累试验过程数据,形成了不同工况的钻取参数数据库,通过在轨预编程自主控制,实现钻取子系统“回转”、“冲击”和“回转+冲击”三种模式,不同参数的自由切换。同时可根据采集到的钻进参数,自主切换钻进策略,适应多种月壤工况,具有很强的钻取适应性。

  “取得着、封得住”是钻取子系统的核心技术之一。通过取芯关键技术攻关,确定了无滑差主动软质取芯技术基线。通过多方案筛选,确定双管单层外翻式取芯机构方案,采用外护套与钻头配合段阻止星壤颗粒进入,克服了取芯筒的扭转,大大提高了取芯的可靠性,实现对深层月壤主动原位取芯,并有效隔离钻具扰动影响,具有结构简单的特点;考虑月壤剪胀性和极端工况适应性,综合匹配渐阔进样通道参数,实现颗粒月壤顺畅进样以及样品层序保持。

  前排切削具在钻头回转运动作用下切削形成环切作用,形成阻隔环结构,能够保护样芯不受切削具回转和冲击的影响,以原始状态进入到取芯通道内,并阻止月岩碎屑进入钻头取芯通道内,实现取芯率高于70%,同时能够具有良好的层序保持特性,进而实现具有回转阻隔、原位主动收纳与层序保持能力的月壤取芯技术。

  为保证取得的样品在提芯的过程中不发生掉落,经过多方案的筛选验证,采用开放式构型的“8字型”超弹性合金丝作为封口方案,与取芯软袋末端进行一体化缝合,依靠弹性收缩力来实现对软袋的封口。封口器采用扭转密闭式结构,并进行大应变材料设计,具有低力载、高可靠的特点,且长时间处于大变形承载状态下不发生应力松弛现象,实现简单可靠的封口。

  钻取子系统所采集的月壤样品具有可变形特征,为将月壤样品提升至上升器顶端,软带前端连接有一段数米长的提芯拉绳。为节省样品存储空间,盛装钻取样品的初级封装容器设计为圆环形,提芯拉绳原位缠绕后带动盛有月壤样品的取芯袋螺旋缠绕至环形容器里,从而使其具有确定的几何形状,方便样品传送和转移。通过机械方式实现拉绳和软袋缠绕的精准控制、精准缠绕。

  考虑到因月壤采样量与取芯软袋缠绕力载状态随机性而导致软袋缠绕状态不确定的问题,采用包络法构建尺寸链理论模型,建立缠绕力载剖面与软袋长度的关联模型,确定系统装调参数,制定缠绕控制策略,解决了圈数范围与机构缠绕容差间匹配性问题,实现了取芯软袋尾部位置精准可控,保证取芯软袋可完全收纳于初级封装容器内部,避免刮蹭现象发生,为下一步月壤样品的精准传送奠定基础。

  为将月壤封装容器与整形机构分离并传送至上升器内,在分离方案上独创设计了“剪切销”式低冲击剪切分离的方式案。在整形电机的驱动下,剪切机构在月壤封装容器的上端面施加轴向压力,通过轴向压力剪断均布的3个剪切销,实现月壤封装容器与机构部分的分离。进而实现一个电机,多个动作的操作。

  该操作相较于传统火工分离方法,具有结构简单、重量轻、操作易控、能耗低的优势。针对低重力下着陆姿态角度对样品传送的不利影响,设计了具有碰撞自适应能力的传送方案。月壤封装容器分离后,弹性驱动为月壤封装容器提供初始速度,再借助重力将含有三级导向锥角的月壤封装容器沿固定导向结构传送入上升器内,不需要续送机构,简单可靠。通过优化月壤封装容器传送路径几何参数和关键部位构型,可实现着不同着陆姿态下,封装容器的精准传送。

  钻取子系统“展得开”功能由展开机构实现,相较于以往的展开类产品,该机构具有展开路径与月球1/6重力平面重合、展开负载大、轻量化要求高等特点。面对这个“沉重”的展开负载,创新性提出了“双涡簧驱动、行星绳系增力”的设计方案。

  同时,针对展开机构的特殊要求,通过多次工艺试验、对比、选型,研制出了大刚度、大圈间距的平面涡卷弹簧,满足了增力方案带来的平面涡卷弹簧刚度要求高、作业角度大的问题。同时针对构型、重量等其他方面的要求,对设计参数进行了迭代优化,保证“沉重的负担”可顺利转移至预定位置。

  如今,剑客以“千磨万击仍坚劲,任尔东南西北风”的姿态,胜利归来。后续,昊瀚深空,剑客依旧可以续写荣光。

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