“嫦娥挖土”的“一臂之力”是怎么煉成的

李麗云 王思聰

嫦娥五號在月亮之上“挖土”，舉世矚目，它的取土手臂什么樣？在哈爾濱工業大學（以下簡稱哈工大）一個實驗室內，筆者看到了此次應用于嫦娥五號的同款備用機械臂：全長3.7米，結構重量3100克，臂厚僅有1.4毫米。通體銀白色的機械臂長得平平無奇，卻能精準地將月壤放入盛放容器中，在這“神奇手臂”縮放自如的背后，是哈工大材料科學與工程學院耿林教授團隊張學習教授項目組歷時多年的努力與艱辛。

張學習是哈工大材料科學與工程學院的教授，他所在的輕質耐熱金屬基復合材料團隊，在耿林教授帶領下從事金屬基復合材料研發30余年。在嫦娥五號“挖土”之旅中，張學習帶領項目組經過多年艱苦努力，攻克了鋁基復合材料在空天領域應用的多項關鍵性技術，參與研制出嫦娥五號采樣機械臂。

回憶2020年12月2日深夜，嫦娥五號機械臂歷經近15小時完成多種復雜月面自主采樣動作，在7～8平方米的扇形區域內采樣12次，將樣品精確轉移至密封容器中，當機械臂提起樣品容器精準放入封裝容器，圓滿完成了月壤的采樣任務時，位于北京的地面控制室響起熱烈掌聲，張學習和團隊成員終于松了一口氣。

為更好地展示機械臂的特點，張學習身穿藍色工裝，手持銀白色機械臂模型，一邊模仿機械臂運動，一邊向筆者講述研制機械臂經歷的苦辣酸甜。

張學習說，為攻克面向月面環境的鋁基復合材料復雜構件制備成形一體化技術，團隊在多年技術積累基礎上，結合月面工作條件進一步技術創新，在材料制備成形技術上攻克難點，突破了鋁基復合材料晶須構型理論設計、高致密材料制備、復雜構件熱加工過程成形與控性、強韌化與尺寸穩定化處理等關鍵技術，獲得了十余項國家發明專利。

針對大尺寸機械臂彎曲和扭轉載荷同步加載和剛度測試難題，張學習等團隊成員經過1年多時間攻關，自主研發了大尺寸軸形零件彎扭聯合加載專用測試裝置，此裝置成功獲得兩項國家發明專利，實現了機械臂彎矩和扭矩同步加載，以及剛度的精確測量和強度校核，為產品出廠提供了關鍵支撐。

“由于形狀特殊的機械臂沒有通用的檢測裝置，又考慮到月球真空環境、陽光照射造成產品溫差大，嫦娥五號會面臨極端的環境，在此條件下，機械臂很可能因剛度強度不足或熱脹冷縮而變形、降低重復采樣精度。我們針對這些問題自主研發了一套不同溫度條件下機械臂性能檢測裝置，測試表明機械臂剛度和尺寸穩定性超過設計要求，保證了機械臂挖取月壤和轉移樣品過程中極高的重復定位精度。經過反反復復一年多的試驗，進行了上百次強度、剛度等多種性能的檢測。”張學習說，“只有不停地試驗驗證，才能在實際應用中萬無一失。”

樓體一點點微小的震動都會影響試驗結果。為了保證試驗測量精度，避免環境影響，張學習及項目組只能在晚上進行檢測，因為只有那時震動小、測量結果最準確。“測試任務時間緊、精度要求高，連軸轉開展試驗成為項目組成員工作的常態。為了檢測，我們可以連著三天凌晨四點從實驗室出來，就算不睡覺也一定要保證測量結果的精確。”團隊技術骨干錢明芳副教授說。

張學習表示，在項目研發前期，由于一些技術缺陷，團隊在很長一段時間內都找不到合適的解決辦法，只得不停地試錯、完善、調整……從2010年項目論證，到2013年項目啟動，再到2017年完成技術攻關、2020年成功登月……在此過程中，中國空間技術研究院總體部機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幫助和指導，為項目的順利實施發揮了重要作用。

“未來一系列國家重大任務對新材料研發提出了更高要求，只有不斷創新，才能滿足需要。”針對未來發展，哈工大材料科學與工程學院院長、團隊負責人耿林說。

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雜、難度最大的任務之一。嫦娥五號探測器在2020年11月24日發射升空，機械臂僅用近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。