人们认为,和小行星一样,彗星(或流星)是太阳系形成早期的残余物。它们形成于外围的寒冷空间。在公转到接近太阳时,彗核直径通常只有几公里,被一层星云状的物质所包围,这就是所谓的彗发;这就是它们的典型外观。彗星一直对人类有着极大的吸引力。古时候,古希腊人和古罗马人认为彗星是神兆;中世纪,人们认为彗星是命运的预兆。如今,欧洲的科学家们首次登陆了一颗彗星,通过近距离观察和研究,对我们太阳系的起源有了新的认识。然而,这种研究对所采用的技术有很高的要求。为此,人们在弹道推进着陆器中配置了一系列紧凑型传动机构,这些传动机构在多年的太空飞行后,必须仍然能可靠运行。例如,它们必须在着陆期间和在彗星表面进行分析时正常运行。
菲莱着陆了三次
由于天体的引力低,因此很难在其表面找到稳固的立足点,也很难保持运行期间的定位。因此,在德国航空航天中心(DLR)的支持下,马克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)为探测器开发了一种特殊的锚定系统。在与地面接触的瞬间,发射装药将两个“鱼叉”形锚定装置发射到彗星上并嵌入表面。倒钩装置可以防止锚固配件松动。每一支“鱼叉”射出时,会从仓中拉出一根缆绳。然后将缆绳缠绕在卷筒上,直到通过带有16/7行星减速箱的1628系列无刷伺服电机拉紧,最终将探测器固定到彗星表面。遗憾的是,“鱼叉”未能按原计划射出,复卷装置没有用上,“菲莱”最终三次都未能成功着陆固定在彗星上。尽管如此,微缩模型实验室还是能够按原计划开始进行分析。
起落架和样本分析
在着陆阶段,其他电机还有更重要的任务要执行:为将着陆过程中产生的动能(大约50J)转换为电能,并最终使用主轴传动机构转化为热量,通过外部电阻器直接连接了3557系列钟型电枢电动机,用作发电机。着陆器的三脚起落架中使用了1224系列的其他传动机构,以通过万向接头旋转或转动着陆器的上部,使太阳能电池板实现最佳对准。此外,还需要微型传动机构来采集样本:着陆器上有一个钻头,可以将岩芯样本送入一个小烘箱中热解。带有10/1行星减速箱的小型1016系列电机通过蜗杆传动装置驱动凸轮,凸轮随后向相应烘箱上的陶瓷后膛件送料,同时关闭烘箱加热元件的电触点。气体通过烘箱门闩上的细管输送到科学仪器进行分析。第一个研究阶段历时56个小时,期间着陆器在彗星表面进行了所有预定科学测量。菲莱成功将这些数据传输到着陆器控制中心,并移动了其上部,使其更好地与太阳对准。欧洲航天局和德国航空航天中心认为这次任务取得了圆满成功。评估所有接收到的数据将需要一些时间。
外太空及其需求
外太空对这些传动机构的要求很高:射入太空的每公斤物质都要消耗能量,即烧燃料——相当于烧钱。因而要找到一个小而轻的解决方案。与此同时,还必须能够承受起飞时的巨大振动和加速力,以及外太空的持续极低温和长期真空条件。
为太空项目选择组件时,成本因素是需要考虑的一个重要因素,开发人员希望尽可能不采用代价高昂的定制开发。为此,他们先寻找更符合其规格的批量产品。最终他们在FAULHABER完善的传动系统产品系列中找到了想要的产品。该公司的标准传动解决方案就能满足所有机械要求。如此只需少许修改,即可满足太空的特殊条件,所需的额外费用很少。
标准传动机构的小修改
例如,带有精密减速箱的无刷直流伺服电机用作驱动鱼叉形锚定装置的初始电机。电机和减速箱的总直径仅16 mm,长度仅61 mm。齿轮的间隙不超过1°,使其能够更精确地定位。得益于其紧凑的外形,可以轻松内置传动解决方案。它们的低功耗要求也非常适合此类应用。
与着陆器中使用的其他传动机构一样,其润滑也能适应太空条件。在这些情况下,润滑脂或润滑油不起作用;它们要么在寒冷的外太空凝固,要么在真空蒸发。固体润滑剂是一种潜力很大的补救措施。但石墨不行,因为只有在石墨层之间聚集水蒸气或氮气等气体时,石墨才能起到良好的润滑作用。真空中缺少这些气体;在地球上可作为固体润滑剂的物质,此时的效果更像粉笔。这就是为什么决定在太空任务中使用二硫化钼(MoS2),因为二硫化钼具有类似石墨的层状结构。不管是在真空,在外太空的寒冷温度下,还是在高达几百摄氏度的温度下,它都可以实现润滑。于是使用该固体润滑剂涂在待润滑的特殊轴承和标准齿轮的表面。
减速箱箱体也必须适用于外太空。低于-100°C的极低温度以及采用各种不同材料会使精密零件因堵塞而出现热膨胀问题。钢箱体与钢齿轮的热膨胀率相匹配,因此,将减速箱的标准镀镍黄铜箱体换成了钢箱体。可以在FAULHABER的标准生产设施中制造钢箱体。这反过来又有助于确保精确匹配的互换性。独立减速箱部件易于组装,如此适于太空飞行的“加固”部件可以轻松组装在一起。标准传动机构经过改进后能够在太空中运行,如它们已经在许多其他极端应用中证明的那样,例如在电子显微镜的高真空或芯片生产中。