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)一個實驗室內(nèi)，記者看到了此次應(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)隊張學(xué)習(xí)教授項目組歷時多年的努力與艱辛。

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，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，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，一邊向科技日報記者講述研制機(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、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)隊成員經(jīng)過1年多時間攻關(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國家發(fā)明專利，實現(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，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，“只有不停地試驗驗證，才能在實際應(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結(jié)果。為了保證試驗測量精度，避免環(huán)境影響，張學(xué)習(xí)及項目組只能在晚上進(jìn)行檢測，因為只有那時震動小、測量結(jié)果最準(zhǔn)確。“測試任務(wù)時間緊、精度要求高，連軸轉(zhuǎn)開展試驗成為項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)從實驗室出來，就算不睡覺也一定要保證測量結(jié)果的精確。”團(tuán)隊技術(shù)骨干錢明芳副教授說。

張學(xué)習(xí)表示，在項目研發(fā)前期，由于一些技術(shù)缺陷，團(tuán)隊在很長一段時間內(nèi)都找不到合適的解決辦法，只得不停地試錯、完善、調(diào)整……從2010年項目論證，到2013年項目啟動，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)，為項目的順利實施發(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)射的中國首個實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)。

(李麗云)