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中國首次月球采樣,是他做的“手臂”!

中國首次月球采樣,是他做的“手臂”!

huangyanmin 2025-03-17 快播 4 次瀏覽 0個評論

主播君的話


十年來,梁常春先后研發(fā)嫦娥五號機(jī)械臂和載人空間站機(jī)械臂,讓中國智造“百變神臂”遨游浩瀚太空,逐夢航天!



對梁常春而言,與航天結(jié)緣,源于一場美麗的“意外”。而恰是這次“意外”,令梁常春十年磨“兩劍”,研制出靈活而有力的“百變神臂”,在浩瀚太空中“予取予求”。


梁常春現(xiàn)任中國航天科技集團(tuán)第五研究院空間站機(jī)械臂控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、高級工程師。


2012年,梁常春從同濟(jì)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)碩士畢業(yè)。恰是畢業(yè)前一場偶然參加的中國航天科技集團(tuán)宣講會,燃起梁常春的航天夢想。



48小時,嫦娥五號機(jī)械臂采回1.7千克月壤


入職航天五院總體設(shè)計(jì)部不久,梁常春便被予以重任——研發(fā)嫦娥五號表取采樣機(jī)械臂。


嫦娥五號是中國嫦娥探月工程中首顆地月采樣往返探測器,是“繞、落、回”中的第三步,其中關(guān)鍵任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)月面無人采樣并返回地球。


明白任務(wù)的艱巨而重要,梁常春內(nèi)心激動而忐忑。他激動于深度參與國家航天重大工程的分量和意義,又忐忑于自身經(jīng)驗(yàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,需要盡快轉(zhuǎn)換心態(tài)和角色,迎接挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。


梁常春說,嫦娥五號機(jī)械臂的主要功能就是用來在未知的月表環(huán)境下完成自動采樣、封裝以及樣品轉(zhuǎn)移這一系列復(fù)雜動作,需要在有限的時間窗口內(nèi)采集更多的月壤樣品。


然而,研制過程難以避免遭遇了諸多現(xiàn)實(shí)困境?!皩τ谖覀儑叶裕?dāng)時尚沒有類似一種機(jī)械臂在星表的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),從工程角度來講確實(shí)是從無到有的過程。”梁常春說。


從中國數(shù)十年航天工程的深厚積累中,從大量衛(wèi)星、探測器等航天器的復(fù)雜機(jī)電裝置中,梁常春尋覓到可資借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn),并充分調(diào)研“鳳凰號”等國外型號的采樣系統(tǒng),盡管在后者上收效甚微。


機(jī)械臂有著近乎矛盾的兩面:一方面精度要求極高,一方面重量嚴(yán)格受限。


梁常春說,在月表1/6重力特殊的應(yīng)用環(huán)境中,采集、抓取、轉(zhuǎn)移等高精度的動作要求,都對機(jī)械臂控制系統(tǒng)提出高要求。



控制系統(tǒng)是以軟件算法為核心,既然無先例可循,如何破“零”之局?


梁常春一步步推導(dǎo)、攻關(guān),自己編寫幾千行MATLAB程序代碼,形成了空間機(jī)械臂控制算法的第一代SIMULINK模型庫,其攻克了高精度視覺伺服容器抓取與轉(zhuǎn)移技術(shù),解決了嫦娥五號的多點(diǎn)不確定地形采樣與容器高精度轉(zhuǎn)移難題。


“從無到有去開發(fā)、積累、調(diào)試,這的確是一個艱辛的過程?!绷撼4焊锌?/p>


對于這根如釣魚竿般纖細(xì)的機(jī)械臂而言,艱辛之處還面臨著如何去真實(shí)模擬月表環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。


為了確保萬無一失,研發(fā)團(tuán)隊(duì)采取懸吊法、斜面法等多種手段反復(fù)驗(yàn)證,預(yù)設(shè)各種能想到的故障一一測試,將機(jī)械臂不斷迭代,趨于“完美”。



2020年11月24日,嫦娥五號成功發(fā)射,飛向月球。12月1日,嫦娥五號成功落月,并將開啟為時48小時的月壤采集任務(wù)。


對于梁常春而言,這48小時就像八年前剛接到研發(fā)機(jī)械臂任務(wù)時一樣激動而忐忑。


中國首次月球采樣,是他做的“手臂”!

全神貫注盯著屏幕上的月面采樣實(shí)時影像,鉆土、鏟土、挖土、夾土、放土……機(jī)械臂的每一個動作,梁常春都既熟悉又“陌生”。熟悉的是,這些動作他曾多次操縱機(jī)械臂完成;“陌生”的是,如今這些動作是在月球上真實(shí)上演完成。


12月17日,約1.7千克月壤被封裝帶回地球,屬于梁常春的初戰(zhàn)告捷。



十米長、七個關(guān)節(jié),空間站機(jī)械臂能搬運(yùn)25噸重物體


中國載人空間站機(jī)械臂體型龐大,有十米長、七個關(guān)節(jié),既能搬運(yùn)25噸重大艙段,又能快速抓捕殘余速度很大的懸停飛行器,被稱作是“靈活的大胖子”。


2016年,在研發(fā)嫦娥五號機(jī)械臂的同時,梁常春開始擔(dān)任中國“天宮”載人空間站大型機(jī)械臂控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。


相比嫦娥五號機(jī)械臂而言,空間站機(jī)械臂在應(yīng)用環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)方面存在巨大差異。


“空間站機(jī)械臂是要在我國唯一的太空實(shí)驗(yàn)室上長期在軌應(yīng)用的一套重要智能機(jī)械裝備,可以完成艙外大范圍巡檢、支持航天員出艙活動、安裝艙外暴露載荷等多種重要工作,可以說是空間站表面配置的一個靈活的手臂?!绷撼4赫f。


為此,類似零重力環(huán)境如何模擬、怎樣讓有限的臂長覆蓋大范圍的艙段作業(yè)區(qū)域等,都成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要一一攻克的難題。



從機(jī)械臂長度和移動方式等方面著手研發(fā),在最初設(shè)計(jì)過程中,梁常春也曾考慮過國際空間站所使用的移動導(dǎo)軌,但發(fā)現(xiàn)其并不適用中國空間站。


“團(tuán)隊(duì)每個成員在茶余飯后都會思考,這個機(jī)械臂到底長成什么樣子才是合理的?”梁常春給出答案:好看的往往都是合理的。


從模仿人的手臂開始,研發(fā)團(tuán)隊(duì)分析關(guān)節(jié)和臂桿布局的配置,為了實(shí)現(xiàn)全空間的靈活運(yùn)動,關(guān)節(jié)的自由度必不可少。


為此,空間站機(jī)械臂設(shè)計(jì)成七個關(guān)節(jié),即實(shí)現(xiàn)七個自由度,在每個關(guān)節(jié)上都設(shè)置有豐富的傳感器和電路,在太空中能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類手臂的運(yùn)動能力。



如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在艙體上覆蓋“爬行”?無意間,團(tuán)隊(duì)從圓規(guī)中得到靈感,將機(jī)械臂創(chuàng)新設(shè)計(jì)成擁有兩只腳(手),即末端執(zhí)行器,和一個大腦,即中央控制器的結(jié)構(gòu)。


“中央控制器作為整臂的大腦,我們將它放到了離臂本體最近的地方?!绷撼4赫f,機(jī)械臂對稱配置,可以首尾互換,很好地解決了功能性難題。


梁常春曾形容說,“兩根臂桿展開后在艙表爬行時,仿佛就是一個巨大的圓規(guī)在空間站表面輾轉(zhuǎn)騰挪?!?/p>


在梁常春看來,空間站機(jī)械臂最主要的特色就是“爬行”功能,“團(tuán)隊(duì)利用最少的資源和代價(jià),在有限臂長的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了整站作業(yè)區(qū)域的覆蓋,是一大創(chuàng)新。”



日復(fù)一日,年復(fù)一年,在無數(shù)次推倒重來的“歸零”中,梁常春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一輪輪迭代優(yōu)化,誓言做到“世界最好”。如今,空間站機(jī)械臂能夠圓滿完成艙外巡檢、輔助航天員出艙作業(yè)任務(wù)等各項(xiàng)任務(wù),在技術(shù)、功能等方面達(dá)到世界先進(jìn)水平。


“從事航天工作一定要有良好的心態(tài)和如履薄冰的責(zé)任感,要善于從復(fù)雜的工程技術(shù)難題中尋找規(guī)律。”10年前,梁常春第一次聽到這句話時就將其深深印在心底,也踐行在行動中。


從“上天攬?jiān)隆?,到“手摘星辰”,在追逐航天夢的過程中,梁常春勇于擔(dān)當(dāng),甘于奉獻(xiàn)。如今,他在深空后續(xù)探測、小天體采樣、載人月球探測等任務(wù)中繼續(xù)踐行航天精神,為建設(shè)航天強(qiáng)國奉獻(xiàn)自己的青春力量。


— End —

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共青團(tuán)新聞聯(lián)播(ID:gqviewpoint)

記者/編輯|李川 統(tǒng)籌|陳鳳莉

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