满足极端应用，探索生命起源，Faulhaber驱动助力太空探测器返回舱重返地球

满载材料样本的探测器返回地球，其外壳可承受高达12 G的离心力和-270至+5000摄氏度的极限温度。一般情况下，探测器必须安全回归，这样我们才能解开地球生命起源之谜。科学家们正在通过太空样本来探索小行星和彗星的奥秘。因为有迹象表明，生命的来源很可能与这些天体密切关联。

当然，最重要的是，探测器和这些珍贵的样本能重返大气层并安全着陆，而这正是由FAULHABER赞助的瑞士日内瓦应用科技大学HADES项目的目标。为了稳定探测器的飞行位置，HADES项目团队采用了FAULHABER直线电机。

1969年，尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林首次登月，这也是人类首次完成天体样本采集的航天任务。直到今天，科学家们仍在对这些材料进行分析，以获取新发现。然而，对于天体物质样本采集来说，载人航天任务的费用和难度太高。自从阿波罗11号以来，主要还是通过不载人的探测器来采集天体物质样本。

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以克为单位的星尘

著名宇航员带回的月球岩石以百磅为单位，而不载人探测器采集的通常只有几克的宇宙物质。由于采用了先进的分析技术，即使是最小的数量也足以进行深入研究。这有助于科学家们更好地了解太阳系的形成过程。此外，在这些样本中检测到了甘氨酸（氨基酸的一种）。由此可见，这种蛋白质的组成成分通过陨石来到地球表面，很可能对地球生命的起源做出了贡献。

在对这些样本进行检测之前，必须先把它们安全送回地球。为了完成这一任务，无人探测器使用了返回舱。经过精确计算时间点后，它们会随着航天探测器弹出返回舱，并在地球引力的作用下，坠落到预先计算好的区域内。

像所有从太空进入地球大气层的物体一样，太空舱在与大气层接触时温度都会急剧上升。为了对抗这种反应，返回舱设计成碟状，并带有隔热保护层。受空气阻力影响，返回舱速度会大大降低，并开始以亚音速在大气层中飞行，这也是返回过程中尤为关键的阶段。

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空气动力学带来的隐患

在这个飞行过程中，返回舱会受到大气动力学的影响，每股气流都会导致其飞行轨迹和方向发生改变。由于没有外翼，所以它无法从外部进行平衡补偿，这种情况下，返回舱会发生翻滚的风险。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，坠入地面。

“我们希望通过稳定返回舱在大气层内的飞行方向，来避免这类情况再次发生，”瑞士西部高等专业学院（HES-SO）Aurélien Walpen解释道。作为该校硕士研究生，他参与了HADES项目。“我们的一位教授在航天领域非常活跃，他让我们设法解决返回舱的故障问题。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，那就是通过重心位移来实现稳定。”

最出色的部件：由于火箭体积小，可承受的有效载荷非常有限，因此所有的组件都必须达到最小的体积和最轻的重量，以满足火箭机舱内有限的空间。

理论上讲，这和冲浪非常相似，冲浪运动员利用身体重量不断调整重心，从而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。在这两条轴上通过来回移动配重，可以补偿外力造成的影响。”

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重量最轻，性能最强的两用电机

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足以起到配重的作用，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，所以无需额外配重。在寻求可靠的直线电机过程中，欧空局和HADES的专家选择了FAULHABER的解决方案。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。

HADES探测器内FAULHABER直线伺服电机用于稳定返回舱

其要求相当高，首先它必须能承受火箭发射和重返大气层时产生的巨大外力，特别是在进入大气层时，返回舱内的温度非常高，而它之前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到丝毫影响。它们必须在运动轴上完成每秒来回四次的运动过程。要做到这一点，它们需要有强大的扭矩，这样才能对抗强大的制动和离心力。同时，探索器的空间非常有限，返回舱也不例外。因此，电机必须以最小的尺寸提供最大的性能。

Faulhaber线性直流伺服电机系列 LM 2070 ... 12

“我们尝试了各种产品，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非常简单，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，还模拟了返回舱在大气层中的飞行以及空气阻力的承受过程。测试期间，直线电机能有效稳定返回舱的飞行方向。原计划于2020年三月从太空返航的现场测试被延至2021年春举行。届时，该返回舱将由REXUS号火箭从瑞典北部城市基律纳（Kiruna）的雅斯兰吉航天中心（Esrange Space Centre）发射。在加速到20G，火箭速度达到每小时4.300公里后，它将驶到离地球表面100公里的高度再放下返回舱，并在FAULHABER技术的保障下安全着陆地球表面。