1969年,尼尔 · 阿姆斯特朗和巴兹 · 奥 尔德林首次登陆月球。他们的登月任务也 是人类首次完成采集天体样本的航天任 务。直到今天,科学家们仍在对这些材料 进行分析,并获得新的发现。对于天体物 质样本的采集来说,载人航天任务的费用 和难度太高。自从阿波罗11号以来,主 要通过不载人的探测器来采集天体物质样 本。
几克星尘
和宇航员当时带回的几英担月球岩石相 比,不载人探测器采集的样本通常只有几 克重。依靠先进的分析技术,只需微量样 本即可获得充分的科研成果。这可以帮助 科学家们更好的了解太阳系的形成过程。 此外,在这些样本中检测到甘氨酸(氨基 酸的一种)。可以依此推断,这种蛋白质 的组成成分通过陨石来到地球表面,很可 能就是地球生命的起源。
要对样本进行检测,就必须先把它们安全 送回地球。无人探测器上的返回舱正起到 该作用。在一个经过精确计算的时间点, 航天探测器弹出返回舱。在地球引力的作 用下,返回舱最终坠落在一块经过计算的 区域内。
空气动力学带来的隐患
在这个飞行阶段当中,返回舱受大气动力 学影响。每一股气流都会导致其飞行轨迹 和方向的改变。因为没有外翼,所以无法 从外部进行平衡补偿。在此情况下,返回 舱有翻滚的危险。2004年美国宇航局的“ 创世纪号”返回舱就不幸发生了该故障。 飞行过程中由于原飞行方向的改变导致降 落伞无法正常打开,返回舱最终失控坠落 在地面。
“我们希望通过稳定返回舱在大气层内的 飞行方向,来避免该情形再次发生,”瑞 士西部高等专业学院 (HES-SO) 的Aurélien Walpen解释道。该校在日内瓦和弗里堡设 有分院。作为该校硕士研究生,他参与了 HADES项目。“我们的一个教授在航天领 域非常活跃,他让我们设法解决返回舱故 障问题。我们尝试了很多不同的方案,但 最终还是选择了最初的方案,那就是通过 重心偏移进行稳定。”
理论上讲,这和冲浪运动非常类似。冲浪 运动员利用自身体重不断调整身体重心, 对海浪的动力进行平衡补偿。“用力学原 理来解释,就是在x轴和y轴上进行运动补 偿。在这两根轴上通过来回移动配重,可 以补偿外力造成的影响。”
两用电机
理论上讲,可以在返回舱内用直流无刷伺 服直线电机移动配重。但由于电机本身的 重量已经足够,所以无需额外配重。也就 是说,通过两台电机在运动轴上来回移动 即可实现稳定效果。无需额外配重。在寻 求可靠的直线电机解决方案过程中,ESA 和HADES项目专家选择了FAULHABER。 为了完成这项特殊任务,他们在产品范围 中找到了具有最佳物理特性的驱动。
这是不容忽视的条件。首先,它们必须能 够承受火箭发射和重新进入大气层时产生 的巨大外力。尤其是在进入大气层时,返 回舱内的温度非常高,而之前它还处于太 空中的极度低温和真空环境。
&在这些极端条件下,电机的可靠性和速度 不能受丝毫影响。它们必须在运动轴上完 成每秒来回四次的运动过程。强大的减速 作用和离心力必须得到补偿。与此同时, 航天设备内部的空间非常有限,返回舱也 不例外。因此电机必须具有最小的尺寸, 同时发挥出最大性能。
“我们试用了很多不同的产品,最终还是 回到最初的选择”,Aurélien Walpen解 释道。“FAULHABER生产的 LM 2070-12型直流无刷伺服直线电机在各项重要指标 上都取得了最佳成绩,是最可靠的驱动装 置。另一个重要因素是,电机控制的参数 设置必须简单,便于系统整合。。”整个系 统已在大气环境和真空环境以及日内瓦大 学的风洞内经过测试。。返回舱在大气层中 的飞行以及空气阻力承受过程在此均得到 模拟。测试过程中,直线电机能够有效 稳定返回舱的飞行方向。原定于2020年 三月的太空返航现场测试被延期至2021 年春举行。届时REXUS号火箭将从位于 瑞典北部城市基律纳(Kiruna)的雅斯 兰吉航天中心(Esrange Space Centre) 携带返回舱点火升空。经过高达20的加 速G值,火箭速度达到每小时4.300公 里,在距离地球表面100公里的高空放下 返回舱。探测器从这个高度开始下落, 并在FAULHABER技术的保障下安全着陆 地球表面。
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