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解密嫦娥四號軟著陸的“腿”

2019-01-10 02:50來源﹕光明網-《光明日報》

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  1月3日﹐嫦娥四號探測器實現了人類探測器首次在月球背面軟著陸。消息傳到“科學島”﹐島上一片歡騰﹐驕傲和自豪的神情讓這些平時不苟言笑的科學家再也掩飾不住內心的激動。

  月球背面凹凸不平﹐如何實現“軟著陸”是月球登陸的技術性挑戰。位於安徽省合肥市“科學島”上的中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所的科研團隊﹐自主研發出緩沖拉杆﹐為此次月背軟著陸提供了關鍵保障。

  月球背面凹凸不平對拉杆緩衝要求高

  1月3日10時26分﹐嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮‧卡門撞擊坑內﹐實現人類探測器首次在月球背面軟著陸。當天下午﹐中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所(以下簡稱固體所)召開新聞通氣會稱﹐固體所為此次月背探測提供了軟著陸用關鍵產品“緩沖拉杆”﹐也就是俗稱嫦娥四號的“腿”。固體所繼嫦娥三號任務之後﹐再次為嫦娥四號成功軟著陸作出重要貢獻。

  月球背面像一個“盾牌”﹐為地球擋住了隕石的直接撞擊。因此﹐月球背面隕石坑的數量遠遠多於正面﹐而且﹐月面佈滿溝壑﹑峽谷﹑懸崖﹐平坦區域極少﹐“這意味著嫦娥四號探測器著陸時﹐將面臨四條主著陸腿著陸時間不一﹑衝擊力分佈不均帶來的巨大風險。”嫦娥四號探測器著陸緩沖元件項目骨幹﹑固體所材料應用技術研究室副研究員王幸福博士說﹐在極端條件下﹐部分拉杆甚至將要承受更為強烈的衝擊拉伸作用。

  因此﹐在探測器著陸時﹐拉杆必須高效﹑可靠﹑穩定地發揮吸能作用﹐來吸收巨大的衝擊力﹐保障探測器安全平穩地著陸。但是﹐著陸機構的整體重量又受到嚴格約束﹐拉杆必須在有限的體積﹑尺寸﹑重量和塑性變形條件下﹐吸收盡可能高的能量。“因此﹐拉杆材料必須具備極高的拉伸塑性﹑適中的抗拉強度和穩定的力學響應行為。”

  固體所勇挑重擔研製高效吸能合金材料

  鑒於在保障探測器安全著陸中的重要作用﹐同嫦娥三號一樣﹐拉杆也被確定為嫦娥四號著陸系統的關鍵重要件。而這項關鍵重要件的研製任務﹐交給了固體所的研發團隊。

  王幸福告訴記者﹐自2007年起﹐固體所就開始承擔拉杆材料的探索任務。“當時﹐國內並沒有合適的材料﹐我們就不斷嘗試﹐經過了無數次實驗﹐歷時六年﹐最終研製出一種新型緩沖吸能拉杆材料﹐給它命名為高效吸能合金。”

  據介紹﹐目前商業應用的金屬材料最高塑性祗能達到50%﹐而高效吸能合金的塑性可達到80%~110%。也就是說﹐一根1米長的緩沖拉杆﹐最大可拉伸至2.1米。“這種材料的吸能特性遠遠優於現有的金屬材料﹐在國際也屬於領先水平。”

  就這樣﹐固體所項目組研製的高效吸能合金﹐為著陸機構的設計與實現提供了關鍵材料支撐﹐也填補了我國地外天體探測器著陸緩沖用拉杆材料的空白。而利用高效吸能合金材料研製出來的緩沖拉杆產品﹐塑性達到70%以上﹐能夠吸收巨大的衝擊力﹐從而為嫦娥三號﹑嫦娥四號在月面著陸時提供重要的保障作用。

  將承擔更多的深空探測任務

  2013年﹐固體所研製的緩沖拉杆成功保障嫦娥三號月面軟著陸﹐為我國首個航天器踏足地外天體作出了重要貢獻。2014年項目負責人韓福生研究員被人社部﹑工信部等六部委聯合授予“探月工程嫦娥三號任務突出貢獻者”榮譽稱號﹐與此同時﹐單位獲得國防科工局關於探月三期研製保障條件建設項目的經費支持﹐為固體所航天特種金屬材料研發中心的建設與發展提供了重要契機。

  2016年﹐固體所與航天五院成立聯合實驗室﹐在多學科領域展開了深度合作。2017年﹐依托航天特種金屬材料研發平臺籌建的安徽省特種金屬材料工程實驗室獲批立項﹐為航天新材料更新換代﹑應用推廣奠定了良好基礎。

  除了為嫦娥四號探測器首次在月球背面軟著陸提供安全保障﹐固體所還承擔了“火星一號”著陸器緩沖元件研製任務﹐並已順利通過方案以及初樣產品驗收﹐正式轉入正樣研製階段。此外﹐載人登月項目也已展開論證。作為嫦娥三號﹑嫦娥四號等探測器唯一拉杆材料提供單位﹐固體所自主研製的緩沖拉杆材料﹐未來將有望在我國深空探測領域發揮更加重要的作用。

  多個研究機構為嫦娥登月作貢獻

  記者瞭解到﹐除了合肥科學島上的固體所﹐安徽還有多個研究機構﹐為嫦娥四號成功著陸在月球背作出了貢獻。

  據瞭解﹐嫦娥四號的信號在穿越地月間38萬公里的超遠距離後﹐從太空到達地面時已十分微弱。為了清晰﹑準確地接收到信號﹐中國電科16所低溫電子/超導電子研發部自主研製的低溫接收機﹐作為月球探測器的“順風耳”﹐在-260℃低溫環境下﹐接收到“嫦娥”來自遙遠太空的微弱信號。中國電科16所有關研發人員告訴記者﹐他們研製的低溫接收機﹐應用於嫦娥四號的測控系統和地面應用系統﹐接收探測器的信標信號和通信數據。“服務于本次任務的低溫接收機解決了低溫接收機真空密封技術﹑低損耗隔熱傳輸技術﹐首次研製了新型密封窗和隔熱方式﹐採用極化器一體冷卻方式﹐解決了低溫下冷卻變形技術難點。其中﹐低溫接收組件實現極低噪聲技術﹐低溫低噪聲放大器噪聲溫度小於6K﹐達到國際先進水平。”

  另外﹐月球探測器中的激光測距敏感器的功能﹐是提供著陸器到月面的距離信息﹐激光三維成像敏感器的功能是獲取著陸區三維地形﹐它們共同為著陸安全降落提供有力保障。而中國電科43所此次也為嫦娥四號月球探測器配套研製了某型高壓抗輻照空間DC/DC變換器電路﹐應用在探測器的激光測距敏感器和激光三維成像敏感器中﹐為敏感器提供高壓供電﹐成為敏感器中的關鍵元器件。相關人員告訴記者﹐小巧的電源將輸入的電流﹐經過穩壓﹑濾波﹑變壓﹐然後將純淨﹑穩定﹑連續的電流輸送給敏感器使用﹐“如果把電流比喻成人類的血液供氧給其他器官﹐電源就相當於敏感器的心臟﹐保證了血液的流向和血壓﹐它的研製成功﹐為著陸器安全可靠的著陸提供了有力的保障。”

  (光明日報記者 常河 光明日報通訊員 項磊)

  《光明日報》( 2019年01月10日 08版)

[責編﹕石佳]

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