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解密嫦娥四号软着陆的“腿”

冯杰

2019年01月14日 02:24

本报记者 常河 本报通讯员 项磊
《光明日报》( 2019年01月10日 08版)


1月3日,嫦娥四号探测器实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。消息传到“科学岛”,岛上一片欢腾,骄傲和自豪的神情让这些平时不苟言笑的科学家再也掩饰不住内心的激动。


月球背面凹凸不平,如何实现“软着陆”是月球登陆的技术性挑战。位于安徽省合肥市“科学岛”上的中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所的科研团队,自主研发出缓冲拉杆,为此次月背软着陆提供了关键保障。


月球背面凹凸不平对拉杆缓冲要求高


1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内,实现人类探测器首次在月球背面软着陆。当天下午,中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所(以下简称固体所)召开新闻通气会称,固体所为此次月背探测提供了软着陆用关键产品“缓冲拉杆”,也就是俗称嫦娥四号的“腿”。固体所继嫦娥三号任务之后,再次为嫦娥四号成功软着陆作出重要贡献。


月球背面像一个“盾牌”,为地球挡住了陨石的直接撞击。因此,月球背面陨石坑的数量远远多于正面,而且,月面布满沟壑、峡谷、悬崖,平坦区域极少,“这意味着嫦娥四号探测器着陆时,将面临四条主着陆腿着陆时间不一、冲击力分布不均带来的巨大风险。”嫦娥四号探测器着陆缓冲元件项目骨干、固体所材料应用技术研究室副研究员王幸福博士说,在极端条件下,部分拉杆甚至将要承受更为强烈的冲击拉伸作用。


因此,在探测器着陆时,拉杆必须高效、可靠、稳定地发挥吸能作用,来吸收巨大的冲击力,保障探测器安全平稳地着陆。但是,着陆机构的整体重量又受到严格约束,拉杆必须在有限的体积、尺寸、重量和塑性变形条件下,吸收尽可能高的能量。“因此,拉杆材料必须具备极高的拉伸塑性、适中的抗拉强度和稳定的力学响应行为。”


固体所勇挑重担研制高效吸能合金材料


鉴于在保障探测器安全着陆中的重要作用,同嫦娥三号一样,拉杆也被确定为嫦娥四号着陆系统的关键重要件。而这项关键重要件的研制任务,交给了固体所的研发团队。


王幸福告诉记者,自2007年起,固体所就开始承担拉杆材料的探索任务。“当时,国内并没有合适的材料,我们就不断尝试,经过了无数次实验,历时六年,最终研制出一种新型缓冲吸能拉杆材料,给它命名为高效吸能合金。”


据介绍,目前商业应用的金属材料最高塑性只能达到50%,而高效吸能合金的塑性可达到80%~110%。也就是说,一根1米长的缓冲拉杆,最大可拉伸至2.1米。“这种材料的吸能特性远远优于现有的金属材料,在国际也属于领先水平。”


就这样,固体所项目组研制的高效吸能合金,为着陆机构的设计与实现提供了关键材料支撑,也填补了我国地外天体探测器着陆缓冲用拉杆材料的空白。而利用高效吸能合金材料研制出来的缓冲拉杆产品,塑性达到70%以上,能够吸收巨大的冲击力,从而为嫦娥三号、嫦娥四号在月面着陆时提供重要的保障作用。


将承担更多的深空探测任务


2013年,固体所研制的缓冲拉杆成功保障嫦娥三号月面软着陆,为我国首个航天器踏足地外天体作出了重要贡献。2014年项目负责人韩福生研究员被人社部、工信部等六部委联合授予“探月工程嫦娥三号任务突出贡献者”荣誉称号,与此同时,单位获得国防科工局关于探月三期研制保障条件建设项目的经费支持,为固体所航天特种金属材料研发中心的建设与发展提供了重要契机。


2016年,固体所与航天五院成立联合实验室,在多学科领域展开了深度合作。2017年,依托航天特种金属材料研发平台筹建的安徽省特种金属材料工程实验室获批立项,为航天新材料更新换代、应用推广奠定了良好基础。


除了为嫦娥四号探测器首次在月球背面软着陆提供安全保障,固体所还承担了“火星一号”着陆器缓冲元件研制任务,并已顺利通过方案以及初样产品验收,正式转入正样研制阶段。此外,载人登月项目也已展开论证。作为嫦娥三号、嫦娥四号等探测器唯一拉杆材料提供单位,固体所自主研制的缓冲拉杆材料,未来将有望在我国深空探测领域发挥更加重要的作用。


多个研究机构为嫦娥登月作贡献


记者了解到,除了合肥科学岛上的固体所,安徽还有多个研究机构,为嫦娥四号成功着陆在月球背作出了贡献。


据了解,嫦娥四号的信号在穿越地月间38万公里的超远距离后,从太空到达地面时已十分微弱。为了清晰、准确地接收到信号,中国电科16所低温电子/超导电子研发部自主研制的低温接收机,作为月球探测器的“顺风耳”,在-260℃低温环境下,接收到“嫦娥”来自遥远太空的微弱信号。中国电科16所有关研发人员告诉记者,他们研制的低温接收机,应用于嫦娥四号的测控系统和地面应用系统,接收探测器的信标信号和通信数据。“服务于本次任务的低温接收机解决了低温接收机真空密封技术、低损耗隔热传输技术,首次研制了新型密封窗和隔热方式,采用极化器一体冷却方式,解决了低温下冷却变形技术难点。其中,低温接收组件实现极低噪声技术,低温低噪声放大器噪声温度小于6K,达到国际先进水平。”


另外,月球探测器中的激光测距敏感器的功能,是提供着陆器到月面的距离信息,激光三维成像敏感器的功能是获取着陆区三维地形,它们共同为着陆安全降落提供有力保障。而中国电科43所此次也为嫦娥四号月球探测器配套研制了某型高压抗辐照空间DC/DC变换器电路,应用在探测器的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器中,为敏感器提供高压供电,成为敏感器中的关键元器件。相关人员告诉记者,小巧的电源将输入的电流,经过稳压、滤波、变压,然后将纯净、稳定、连续的电流输送给敏感器使用,“如果把电流比喻成人类的血液供氧给其他器官,电源就相当于敏感器的心脏,保证了血液的流向和血压,它的研制成功,为着陆器安全可靠的着陆提供了有力的保障。”


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2019年01月14日 10:25
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