maxon Story
为航空航天应用定制标准电机
标准工业电机与创造性合作相结合，采用最前沿的技术定制高精度、长寿命电机，从而能到达火星甚至探索更遥远的宇宙空间。
不可否认，火星的环境可能非常恶劣，完全不适合设计用于在地球上运行的系统。火星上的大气层非常稀薄，其密度不到地球大气的百分之一，但其厚度已足以形成云和风。火星表面覆盖着主要由氧化铁（同时也是火星大气的组成部分）构成的尘埃，经常会形成巨大的尘暴，并且在特定的季节，可以肆虐火星长达数月之久。火星上的温度变化极大，冬季时两极地区的温度低至-125ºC (-195ºF)，而正午时分赤道地区的温度却高达20ºC (70ºF)。这一切听起来像是一个极难适应的环境，然而系统设计人员总是从工业级的设计开始寻找合适的部件。
历史的重要地位
自从17世纪初发明望远镜以来，人类一直对火星充满好奇。即使随着望远镜性能的提高而放大了影像，但火星仍然渺小又模糊。人们对于火星的好奇心依旧不断增加，很明显，要了解这颗红色行星，最终的方法就是去那里拜访它。1964年，美国国家航空航天局成功完成第一趟近天体探测飞行，“水手4号”(Mariner 4) 航天器在飞越火星期间拍摄了火星表面陨石坑的照片，不禁让科学家们联想到月球。火星地表也显示出其历史上曾发生过火山活动的迹象，并留下巨大的峡谷地形。
即使是帕洛玛山天文台4.5米口径的大望远镜，也很难看清火星地表的细节。（照片来源：NASA）
这些信息只让火星变得更加有趣，并促使科学家们努力登陆这颗红色星球，以便能更仔细地研究其地表和环境。20世纪70年代，NASA的喷气推进实验室 (JPL) 向火星发射第一个航天器并成功登陆火星。“维京1号”(Viking 1) 着陆器执行的是单点地表分析任务，目的在于寻找生命迹象。“维京1号”的服役期长达六年时间，并拍摄了许多高分辨率影像。它还用机械臂收集土壤样本并放入了专门设计的生物实验包中——样本的分析数据表明，这颗寒冷的星球上有火山土壤、干燥的二氧化碳大气层，另外还找到古老河床和大洪水的证据。
在停顿二十年后，NASA在20世纪90年代中期再次准备进入火星探勘的下一步，并且这次将带着探测车重返。为了完成探测任务，NASA努力寻找坚固耐用程度足以克服火星之旅的标准工业电机。maxon加入火星征途的故事也就此正式拉开序幕。当NASA/JPL开始寻找合适的电机产品时，他们知道需要制定一些关键的技术规格，才能使电机与任务更加兼容。例如，这类电机需要克服的最大问题是必须承受低压环境以及冲击和振动：不仅是在运载火箭发射会产生冲击和振动，探测器在硬着陆时也必须承受相当大的作用力。另一个问题便是电机必须在极端的温度变化周期内运行。
一直到1997年，第一台火星探测器才成功登陆火星。采用十台RE 16 DC电机的“探路者号”(Pathfinder) 携带着“旅居者号”(Sojourner) 探测车作为测试项目，旨在了解半定制电机的工程设计如何运作。maxon提供了高品质且长寿命的工业级电机，几乎没有为这趟旅程进行个性化修改。到2004年1月，两位分别名为“勇气号”(Spirit) 和“机遇号”(Opportunity) 的机器人地质学家也先后在火星的两端登陆。它们配备比“探路者号”探测车更先进的机动能力，主要目标是进行科学勘探。这两台探测车各自配备35台maxon DC电机（RE 20和RE 25电机）以及MR编码器。
这些电机在探测车上分别执行不同的任务，包括驱动车轮、展开太阳能电池板、移动天线杆等。“机遇号”在火星上尽职尽责地工作了15年，行驶里程达到45公里。这次探测任务的主要目的是科学考察。它们需要查明火星在其作为行星的发展历史中是否曾经出现过地表水。一张有说服力的沉积层照片证实了这一点。2018年11月下旬，创先使用maxon新一代有刷DCX电机和maxon齿轮箱的“洞察号”(InSight) 探测器登陆火星。
合作研究和技术进步
与其他工业合作伙伴以及NASA/JPL等航空航天中心合作，各方之间能够交流分享经验和专业知识，进而提升所有层面的技术能力。所获得的知识不仅促进用于空间探索任务等独特用途的半定制部件的技术进步，而且制造商还可以使用这些数据进一步推进标准工业产品技术的发展。每次的火星探测车任务都需要更高的灵活度和技术能力，各方的合作因此更成为关键。
第一台maxon DCX电机和行星齿轮箱用在特定的机械系统中，利用与建筑工地打桩机类似的方法将温度传感器送入地下深处。（照片来源：NASA）
高效率的合作伙伴关系让参与者能学习到什么可行、什么不可行、哪里可以调整以获得更好的性能，以及如何为扩大研究寻找新的机会。例如，MDA专业从事定制执行器的设计。这家公司将maxon的齿轮箱、制动器和编码器整合到他们的火星探测计划 (ExoMars) 执行器中。由于整个制造过程都必须达到极高的精度，MDA和maxon合作研发了特殊的组装技术，其中包括为每一个螺栓（共4,000个）建立记录及其安装在单元中时应采用的扭矩值。在制造出的70个单元中，有12个将与计划于2022年发射的ExoMars探测器一起飞向太空。
另一个有助于提升新系统能力和机会的是与Flight Works缔结高效的合作伙伴关系。这家公司采用经过略微调整的工业电机彻底颠覆航天器的推进技术，进一步实现前往月球、火星和更遥远地方的旅行。Flight Works是商用和航空航天用（无人机和其他空间推进技术）市场上高功率密度微型泵的领导者。该公司所生产的单元是能达到极高密度的电动微型泵，其高密度由针对发射振动和冲击以及太空环境进行修改的 maxon 无刷工业电机实现。得益于该公司提供的产品，过去十年中CubeSat航天器的发射数量急剧增加，比如NASA/JPL的“月球手电筒”(Lunar Flashlight) 任务。
泵送推进技术促成各种新型的空间业务。Flight Works采用maxon EC盘式电机和EC 4-pole工业电机，设计和制造出32mm推进剂泵、22mm肼类推进剂泵和液氧/甲烷低温泵。这些微型泵让泵送推进系统得以广泛应用于各种任务中，包括小型航天器上的各种泵送应用，例如推进系统、流体管理和航天器冷却，以及计划用于未来火星返回任务的在轨加油及维修作业。
另一种采用半定制工业电机的航空航天应用包括国际停泊和对接机构 (IBDM)，也就是用来对接两台载人航天器（例如国际空间站与逐梦者太空飞机）的装置。商业公司也将maxon电机集成到他们的航天器中，例如SpaceX Cargo Dragon中便使用十台EC 40无刷DC电机来转动太阳能电池板、打开导航舱门以及将锚定夹锁定到位。
ExoMars车轮驱动装置的转向架机电执行器采用maxon DCX 22L电机并搭配GP 32HD齿轮箱和集成编码器
当今任务的技术
当设计必须打破常规、突破极限，以能在恶劣环境中提供更高的精确度时，技术就更加突显出重要性——而且必须零故障。半定制和定制设计可以通过微小的调整来引起功能上的巨大差异。
如今，在前往火星的征途中，NASA/JPL的“火星2020”探测计划（处理样本和缓存系统）采用与“好奇号”类似的探测车，但它所配备的仪器包规模更大，也更加坚固耐用。这台探测车的任务包括采集和分析样本、挑选出最优质的样本，并将这些样本放置在火星地表。在之后的任务中，将派遣另外一台探测车来收集样本，并将它们带回地球。在这项任务中，maxon提供定制的无刷DC电机，用于处理珍贵的火星土壤样本，包括用于采集土壤样本的钻头卡盘。然后样本被转移到探测车上的转盘中，转盘随即将样本传送到探测车内。在用于将样本移动到相应工作站进行目检、密封和存放的小型机械臂中也使用一台maxon电机。
与之前的试验性任务一样，“火星2020”探测计划也尝试了前所未有的新事物：搭载“机智号”(Ingenuity) 直升机，这也是人类历史上首次在探测任务中直升机。这架直升机所肩负的使命是以较低的成本验证在火星大气层飞行所需的技术，这也是迄今为止最具革命性的科学探测任务之一。“机智号”直升机采用六台有刷DC电机（使用DCX 10S斜盘执行器来调整旋翼的螺距）来控制其转向。直升机中装有两个旋翼，每个旋翼配备三台电机——总共六台电机。这些电机看起来非常接近标准工业电机，但其内部已经进行调整，以适应在太空飞行期间受到的冲击和振动以及在火星大气低压环境下的运行。
这次探测任务对于我们未来几年内的太阳系探索活动非常有启发性，我们可以总结出许多经验和教训，也能确定哪些标准工业化部件可以集成到用于空间探索的航天器、探测车以及分析仪器中。只需稍加调整，电机和齿轮箱等关键部件就可以帮助科学家开拓未来，探索其他的卫星和行星。过去几十年中的每一项任务都给予我们极大的启发，将从中吸取的经验和教训运用到整个行业中，可以进一步推动电机设计的发展。推动技术向前发展是一个不断思考的过程，设计师们必须不断地问自己：“还可以实现哪些目标？”只要企业能够坚持不懈地进行调整，以适应要求更高能力水平的新环境，那么不仅可以保持领先地位，而且其标准产品也会得到不断的发展。
