今天凌晨发射升空的嫦娥五号，将首次从月面自动采样返回。
要在38万公里之外取一捧土，难度可想而知。除了要选择准确的着陆点外，着陆器上的机械臂和钻头必须协同配合，每一个步骤都要精到毫厘。“取土返回”过程大约要经历敲击、钻取、封装、对接转移、返回地球等环节，而在每一个动作背后，都有中国电子科技集团公司第21研究所（下称“21所”）设计的电机。这些“上海造”的“机械手”在月壤采样环节的等一系列流程中发挥了关键作用。
嫦娥“取土”道道关后有电机
当嫦娥五号上的着陆器与轨道器主体分离并着陆后，它的采样机械臂与采样钻头就开始了协同工作。21所研发设计师李雨表示，“加载电机”为着陆器在钻取月壤时推动钻头前进提供动力。
图为加载电机：用于着陆器在钻取月壤中给钻头施加动力，推动钻头前进，是钻取采样装置的动力源。
在钻取的过程中，遇到大块坚硬岩石怎么办？原来，钻头还自带一个“锤子”电机，当下探遇阻时，它能为钻头提供敲打动力，“笃笃笃”地敲碎石块。采样完成后，一个装在着陆器顶部的“整形电机”就该出场了，它将采集到的月壤提升出月面并装入上升器中的密封封装装置。
密封封装装置采用了一个带位置反馈和丝杆的减速步进电机组件，在月壤装入前，打开密封盖，待月壤放进来后，再把盖子密封盖牢，是确保月壤能被盖牢并安全返回的关键部件。该组件产品是航天工程首个高度集成的轻小型化电机组件产品。组件被压缩在密封装置一个狭窄的空间里，所以设计师将其设计的非常小巧，重量仅有400多克，但可输出不小于550牛的轴向力，可将密封装置可靠密封。
采集完的月壤样品又该如何被带回地球呢？21所研发设计师王永艳说，当载有月壤样品的上升器与轨道器对接时，三台电机驱动三个抱爪同时动作将上升器“抱住”，动作过程中要求三个抱爪必须保持极高的动作连贯性和一致性，才能完成此次对接任务，从而将样品转移到返回器。
样本成功取回后，则需要关闭返回器舱盖。21所研制的某型无刷直流电动机是确保舱盖成功关闭的动力源。在舱盖关闭过程中，该电机要完成两个动作：一是驱动组件以一定功率输出带动负载运行，二是当机构运行到指定位置时，要求驱动组件在10秒内，维持一定的堵转转矩输出，保证舱盖完全关闭。
电机还承担着嫦娥五号任务全景科学目标探测和月面采样工程摄影师的职务。其中，在采样过程中，电机操控全景相机角度，协助表取采样任务的执行。待着陆器上弹出一面小国旗，电机通过人工智能控制相机调整到最佳拍摄角度，定格下这历史性的一刻。
极限设计只为更小“身躯”爆发更大力气
林黛玉倒拔垂杨柳——这句“无厘头”的网络流行语却形象地描绘了嫦娥五号探测器对电机的新要求——用更小更轻的电机发出更大的力，这也是嫦娥五号为何是我国航天领域迄今为止最复杂、难度最大的任务的原因之一。
图为整形电机：用于钻取到月壤后，驱动提取机构旋转，将月壤提升并装入密闭装置中。
承担钻头装置动力源的“加载电机”和“整形电机”是采样能否成功的关键部件，但当李雨看到设计要求时大吃一惊，根据发力与重量的多项指标，目前设计重量已经是步进电机设计极限，但用户却要求在出力不变的情况下再缩减350克。
从确保嫦娥五号任务成功的角度考虑，李雨答应试试。既然传统设计思路已经走到极限，不如打破常规采用新的结构，他通过计算提出了将原设计方案中定子8个大极对称均布的结构改成4个大极非对称分布结构的方案，采用新结构后，电机的力矩比常规电机提高了30%以上。
要为探月航天器做电机，需要考虑的因素还有很多，比如月尘。由于月亮的重力只有地球的1/6，当钻头开工时，会有更多的月尘扬起并滞留空中，如果电机的密封性不好，它们会“无孔不入”。
“每一个研发环节都容不得一丝疏忽。”承担“锤子”电机设计任务的程远说。她与团队认为用户提供的外接口电机无法满足防月尘要求，使用风险较大，为用户设计了一套密封性更好的方案，这一改变需要花费更多的精力做各种可靠性试验，但是为了任务的万无一失，他们连续加班300天终于完成了任务。用户最终接受了这一提议并为新设计点赞。
深空探测中首次大规模用上无刷电机
在嫦娥五号任务实施中，21所为月球探测器提供了共计5个类别，16款产品，其中3款产品用上了直流无刷电机，这是我国在深空探测中首次大规模使用无刷电机。
所谓无刷电机，就是用半导体开关实现电子换相，是典型的机电一体化产品，之所以当前的航天设备中越来越多将无刷电机纳入方案，是因为空间运动机构需要体积更小、输出力矩更大，同时具备良好的伺服特性及运行可靠性的动力源。相比步进电机，无刷电机可在整个转速调节范围内任意点稳定运行，实现高速运转、低速大转矩输出，比如在取土过程中，未遇到岩石时可轻松高效转动，遇到时也不怕，可使出浑身力气，将岩石粉碎。
此次对接任务中的抱爪驱动就大胆采用了无刷电机实现，王永艳解释说，三个抱爪的不一致性要小于2%，而在一般情况下，不一致性小于10%就被认为是合格的。为了确保无刷电机稳定“上天”，21所做了大量基础研究，从方方面面验证了其可靠性。
未来随着我国航天工程的水平越来越高，无刷电机有望在更多的航天任务大展拳脚。在空间站、嫦娥七号等未来航天之旅中，将会有更多高品质电机亮相，助力中国人探索更多的“星辰大海”。
作者：沈湫莎
编辑：储舒婷
责任编辑：任荃
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