张学习及其团队:为嫦娥五号“挖土”助一“臂”之力

  张学习及其团队:为嫦娥五号“挖土”助一“臂”之力

  新华社哈尔滨1月5日电 题:张学习及其团队:为嫦娥五号“挖土”助一“臂”之力

  新华社记者杨思琪

  “嫦娥五号机械臂长3.7米,结构重量3100克,臂厚1.4毫米,相当于十几张纸的厚度,可以说是太空里的‘白瘦美’。”哈尔滨工业大学实验室里,46岁的张学习身穿蓝色工装,手持银白色机械臂模型,一边模仿机械臂运动,一边介绍它的神奇之处。

  张学习是哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授,他所在的轻质耐热金属基复合材料团队从事金属基复合材料研发30余年。在嫦娥五号“挖土”之旅中,团队攻克了铝基复合材料在空天领域应用的多项关键性技术,参与研制出机械臂。

  时间回到2020年12月2日深夜。嫦娥五号“舒展”机械臂,历经近15小时,连续采样12次,圆满完成月球表层和次表层月壤的采样任务。当机械臂采满样品容器、精确转移到封装容器后,张学习和团队成员长舒一口气。

  “飞上天的每1克,都要精打细算。”张学习说,在航空航天领域,轻量化是永恒的主题,每减轻1克重量,将节省巨大成本。同时,机械臂要实现大面积、多区域、多次数、长时间连续采样和关键动作,因此必须在轻的基础上增加强度、刚度和尺寸稳定性。

  月球属于真空环境,随着太阳照射变化,其表面温度最高达100摄氏度,最低在零下50摄氏度以下,机械臂要承受巨大温差。

  按照严苛的环境要求,张学习与团队研制出晶须增强铝基复合材料,解决了轻质高刚度高强度航天结构件研制的核心技术。同时,团队还开发出一套检测技术和检测装置,实现了机械臂刚度的精确检测,获得两项国家发明专利授权,为解决同类产品的分析测试提供了技术支撑。

  副教授钱明芳回忆说,实验阶段,一点点微弱的振动都可能导致测试数据波动,影响测试结果。实验场所白天有其他课题组工作,他们的实验基本上都在晚上进行,一连就是好几个通宵。

  张学习说,在项目研发前期,由于一些技术缺陷,团队在一年半的时间内都找不到恰当的解决办法,只得不断与设计单位沟通,不停地试错、完善、调整……

  “十年磨一剑。”张学习介绍,从2010年项目论证,到2013年项目启动,再到2017年完成技术攻关、2020年成功登月……十年来,团队一步一个脚印,见证着嫦娥五号的腾飞之路。

  张学习坦言,每一次探索都可能失败,面对失败,不能停滞不前,不能消极沮丧,要把研制过程遇到的困难和挫折,当作推动复合材料及其应用技术创新发展的动力,这也是团队制胜的法宝。

  “未来一系列国家重大任务对新材料研发提出了更高要求,只有不断创新,才能满足需要。”哈工大材料科学与工程学院院长、团队负责人耿林说,未来团队将发挥多学科技术优势,不断加强条件建设和技术创新,接续向着浩瀚宇宙迈进。

国产首台四臂凿岩台车问世

  新华社北京11月24日电(记者齐中熙)拥有四只灵活有力的机械臂,每只机械臂可在2分钟内自动完成5米深钻孔作业。24日,一款由中国铁建重工集团自主研制的国产首台四臂凿岩台车正式亮相。该设备可用于铁路、公路等隧道开挖和支护作业,填补了国产高端凿岩施工装备的空白。

  中国铁建重工集团特种装备研究设计院副院长刘金书介绍,除四只机械臂外,这款四臂凿岩台车还有一个聪慧的“大脑”,加载了智能成套设备,使整机具备了全智能开挖钻孔、超前地质钻探与分析、注浆加固、配合装药等功能。

  刘金书介绍,在研制过程中,研制团队攻克了冗余自由度机械臂钻进精准控制、智能型凿岩台车整机集成等关键核心技术。制造过程中,还可根据工程实际需要,给设备加装掌子面精细化识别、半自动注浆、自动管棚工装、机械化装药等功能模块,实现无人化或少人化施工,提高作业安全性。

  在使用性能上,与目前市场应用较广的三臂凿岩台车相比,四臂凿岩台车一次作业覆盖范围可达200平方米,相当于两台三臂凿岩台车同时作业。

嫦娥五号升空 揭秘背后的“交大力量”

  中新网西安11月24日电 (田进 车孟莹 李莉)24日,嫦娥五号探测器搭载长征五号运载火箭成功发射。

  “嫦娥五号”的表取采样视觉信息处理系统,正是由西安交大人工智能学院郑南宁院士指导下的视觉信息处理与应用国家工程实验室空间视觉团队完成,项目负责人是王飞教授。

  此次承担月表采样任务的组合体为着陆器和上升器的组合体,由着陆器搭载着上升器降落在月球正面的吕姆克山脉附近,并由着陆器身上安装的“岩心钻探机”和“机械臂”等多样化采样工具完成月岩和月壤的自动采样,而后送至上升器的器具中封装保存。因此,采样的视觉信息处理系统直接关系到采样任务的成败。西安交大团队负责这一重要环节——通过表取采样视觉信息处理系统引导机械臂进行自主采样并确保效率和精确度,还要将采样过程中的图像压缩传送回来,供地面工作人员进行精准研究和分析。

  与地球相似,月球也进行自转运动,因此月球上也像地球一样有白天和黑夜之分。不过,由于月球自转一周的时间等于一个恒星月(27天7小时43分11.47秒),月球上一天的时间大约相当于地球的1个月。一个白天的时间大约相当于地球的14天,黑夜的时间大约也相当于地球的14天。项目总体负责人王飞表示,在实际采样抓取过程中,必须让机械臂满足视觉闭环各项指标要求,视觉自主引导,确保采样工具成功抓取并完成封装动作。月昼状态下,光照强度远超地球,而且月球表面地形复杂,团队必须反复模拟和测试各种工况下视觉信息处理系统的处理结果是否满足需求。

  例如,在强光照环境下自动曝光试验和测试中,需验证自动曝光功能在强光照环境下的成像质量,是否能准确引导机械臂自主完成抓取和放置动作,确保机械臂使用的精确度。不同强度的光照,甚至器械着陆月球表面不同的倾斜角度,都是需要考虑的因素。综合这些条件轻微的改变,他们需要反复测试视觉系统的精度,一般一个实验需要持续1到2个月。

  在图像压缩传输可靠性实验验证中,团队使用彩色小球和复杂标记验证图像压缩算法。软件负责人张秋光说,“我们购买了20万个直径约5mm左右的彩色小球,模拟复杂环境,测试图像压缩算法,确保在各类场景下图像压缩算法满足指标要求。”同时,打印多张大幅面的复杂图案进行测试,通过不同距离和姿态下误差分析,完成三维位姿精度测试和目标识别率测试。

  团队成员表示,在做这些实验的时候,最难的并不是实验耗时长、实验条件复杂,最难的是“归零”——只要一个数据或者算法出现了偏差,哪怕是概率极低的情况,也会导致软件“归零”。按照航天质量要求完成“归零”既是一项艰巨的任务也是一个团队成长的助推器,他们没有退缩。王飞说,“办法总比困难多!我们没时间也不能后退,我国的航天事业起步晚,我们想要实现追赶超越,必须分秒必争!”

  在各种严苛的技术指标要求下,该团队发扬西迁精神,经过预研阶段、初样阶段、正样阶段的埋头苦干,经过无数次的试验与验证,终于圆满完成了任务。对于这支平均年龄在35岁左右的团队而言,整个研究过程更像是一堂“成长课”。(完)