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五星红旗再次亮相月球

2020 / 12 / 04新浪

据国家航天局12月3日消息,嫦娥五号着陆上升组合体在月面工作期间,实现了月面国旗展开。这是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”,也是继嫦娥三号、四号任务之后,五星红旗又一次在月球亮相。

月面起飞前亮国旗。模拟动图
月面起飞前亮国旗。模拟动图

记者从中国航天科工集团获悉,嫦娥五号的国旗展示方式,与嫦娥三号、四号有很大不同,研制难度又迈上了一个大台阶。

这是一面真正的旗帜

嫦娥五号月面国旗展示系统,是有效载荷分系统中的关键项目。

相比嫦娥三号、四号以及玉兔月球车上喷涂的国旗,嫦娥五号的国旗是一面真正的旗帜。

作为月面国旗展示系统研制单位,航天科工集团航天三江九部研制团队克服了重重困难。

由于宇宙拥有很强的电磁辐射,加上月球表面有着正负150摄氏度的温差等,恶劣的环境决定了普通旗帜无法在月球上使用。

国旗展示系统项目指挥马威表示,该系统是舱外单机系统。自运载火箭抛掉整流罩后,从地月转移轨道进入月球轨道,再到探测器着陆在月球上,它都一直暴露在极端恶劣环境中。通过试验发现,如果把地球上使用的国旗放在月球上,它的颜色在很短时间内就会褪色、串色,甚至分解。

在国旗展示系统立项初期,科研团队设计了多种展示形式,有记忆合金展示方案、伺服升旗方案、机构展示方案等通过卷轴形式展开国旗,也有通过折扇形式展开国旗方案。通过高低温试验后发现,只有卷轴形式展开的国旗比较平整,不会出现褶皱等情况。

但在保持平整前提下,国旗展开时还要有足够的强度,同时要保证国旗卷起时在正负150摄氏度温差环境下不能粘连在一起。为此研制团队开展了很多理论研究和模拟试验。他们发现,有些纤维材料强度很高,但染色性能较差;染色性能较好的纤维材料,强度又不达标。因此,单一纤维和纺织工艺都无法满足月面环境要求。于是他们携手大学和科研机构联合攻关,并咨询众多国内纺织企业,寻找符合任务要求的纤维材料。

据国旗展示系统技术负责人程昌介绍,科研团队在选材上花费的时间超过1年,挑选出了二三十种纤维材料,通过热匹配性、耐高低温、防静电、防月球尘埃等试验,最终选用某新型复合材料,制成了嫦娥五号展示的国旗。

国旗展示系统研制团队在探讨技术细节。中国航天科工集团供图
国旗展示系统研制团队在探讨技术细节。中国航天科工集团供图

系统瘦身学问大

嫦娥五号展示的国旗尺寸为2000毫米×900毫米。马威表示,旗面尺寸是研制团队经过综合考虑确定的,目的是尽量突出视场效果,让相机拍出来的照片既能看到月表、深空,也能看到着陆器。国旗太大或太小,照片都无法呈现出丰富的元素。

国旗展示系统的重量限制在1公斤以内,其在应对恶劣环境的同时,材料、设备还要实现轻量化。这对系统的工艺、集成设计提出了很高要求。

该系统项目负责人李云峰介绍,采用的杆系结构方案是成熟技术,卫星、飞船等航天器的太阳能电池帆板展开,使用的都是杆系结构,以保证可靠性。系统立项时,研制团队先后论证过四级杆、三级杆和二级杆方案,考虑到复杂性和重量等原因,最终选择采用了二级杆来呈现国旗。

为控制系统重量,研制团队还对结构进行了优化设计,在选取耐高温、抗严寒材料的基础上,尽量将支架臂做薄、做小。国旗展示系统使用的支架结构在空间环境中要承受冷热交变、空间辐照、极低真空等环境考验,如果选材不当,可能会发生冷焊,即两块接触金属粘连在一起,导致机构无法正常打开。对此,研制团队对系统所有机构和关键位置都进行了防冷焊处理。

五星红旗月面展示模拟图。
五星红旗月面展示模拟图。

保证可靠性是第一要务

嫦娥五号国旗展示系统的工作,涉及解锁、支架展开、支架固定等步骤,保证可靠性是系统第一要务。

李云峰说,这一系列动作都必须在1秒钟内完成,每一个动作都要确保工作正常。

火工品是该系统中最基础的一环,如果它无法起爆解锁,后续动作就无从谈起。程昌介绍,国旗展示系统使用的火工品,在国内同等用途火工品中属于最小的之一。小,意味着它对环境适应性十分敏感,稍有不慎就可能失效。尤其是在月球恶劣环境下,更要保证地面发出指令时,它就能成功起爆。

面对这一难题,研制团队将火工品放入零下200摄氏度左右的液氮罐,以及放在高温环境下进行了几十次试验,以验证它在月球极大温差环境下能否正常使用。

机构支架展开的关键动力源是2根扭簧。

弹簧的弹性系数在零下5摄氏度到25摄氏度范围内一般不会发生变化,但超过100摄氏度或低于零下30摄氏度,都会导致弹簧材料的强度降低,弹性系数也随之降低。

工业设备中常用的扭簧,肯定无法满足国旗展示系统展开机构的要求。研制团队找到厂家按要求订制了扭簧,然后对其开展了高低温、长期压紧、拉伸等试验,观察其力学变化情况,以确保其工作可靠。

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经过约19小时月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,12月3日23时10分,上升器带着月球“土特产”顺利升空,踏上返航之旅。

在完成采样任务上升起飞前,着陆器携带的一面“织物版”五星红旗在月面成功展开,这是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”,也标志着月面国旗展示系统圆满成功。

这是继2013年12月15日嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车完美互拍实现中国国旗首次亮相月球,和2018年12月8日嫦娥四号探测器将国旗带向月球背面后的又一次在月球表面的成功展示,也让中国探测器在月球上再次打上“中国标识”。

但是,嫦娥五号探测器国旗展示的方式与“嫦娥三号”和“嫦娥四号”有很大不同,且研制难度又迈上了一个大台阶。中国航天科工集团航天三江九部作为“嫦娥五号”月面国旗展示系统的研制单位,为了研制这套与众不同的国旗展示系统,经历了诸多挑战,克服了诸多困难。

选材花费时间超过1年

嫦娥五号月面国旗展示系统是有效载荷分系统的组成单机之一,也是有效载荷分系统唯一一个关键项目。与“嫦娥三号”“嫦娥四号”以及玉兔月球车上的国旗采用喷涂方式不同,“嫦娥五号”国旗则是一面真正的旗帜。

由于宇宙拥有很强的电磁辐射,以及月球表面有着正负150摄氏度的温差等恶劣环境,这就决定了普通国旗无法在月球上使用。

在国旗展示系统立项初期,科研团队为此设计了多种展示形式,既有记忆合金展示方案、伺服升旗方案、机构展示方案等通过卷轴形式展开国旗,也有通过折扇形式展开国旗等方案,但通过高低温试验后发现,只有卷轴形式展开的国旗比较平整,不会出现褶皱等情况。

但是,如何保证国旗展开时拥有足够的强度,保持平整,研制团队围绕这一问题做了很多理论研究和模拟试验。他们在研究中发现,虽然有些纤维材料的强度很高,但染色性能较差,染色性能较好的纤维材料,强度又达不到要求,因此,单一纤维和纺织工艺都无法满足月面环境的要求。同时,还要保证国旗卷起时在正负150摄氏度温差环境下不能粘连在一起。

国旗展示系统项目指挥马威表示,“国旗展示系统是舱外单机系统,自运载火箭抛掉整流罩后,从地月转移轨道进入月球轨道,再到探测器着陆在月球上,它都一直暴露在极端恶劣环境中。我们通过试验发现,如果把地球上使用的国旗放在月球上,它的颜色在很短时间内就会褪色、串色,甚至分解。”

对于首次接受宇航研制任务的该团队来讲,完全是摸着石头过河,其巨大的技术难题摆在了眼前。为保质保量完成研制任务,研制团队不畏艰难,一边地毯式查阅文献资料,一边广泛开展调研论证,携手国内优势单位开展关键技术联合攻关。为此,他们只好走出去与大学和科研机构合作,咨询众多国内知名的纺织企业,寻找适合在月球上使用的纤维材料。

国旗展示系统技术负责人程昌表示,科研团队在选材上花费的时间就超过1年,最终挑选出了二三十种纤维材料,然后通过做包括热匹配性,耐高低温、防静电、防月球尘埃等在内的物理试验,科研团队最终决定采用某新型复合材料,这样既能满足强度要求,又能满足染色性能要求,从而保证国旗能够抵御月表恶劣的环境,做到不褪色,不串色、不变形。

用马威的话来讲,虽然只是一面薄薄的国旗,但科技含量十分高。

整个系统重量控制在1公斤

“嫦娥五号”国旗平面运动包络将近2000mm×900mm,整个系统的重量只有1公斤。马威表示,选择这样的旗面尺寸是研制团队经过综合考虑的结果,目的是尽量突出视场效果,让相机拍出来的照片即能看到月表一部分,深空一部分,也能看到着陆器的一部分,如果国旗太大或太小,照片都无法呈现出丰富的元素。

由于“嫦娥五号”国旗展示系统的重量只有1公斤,研制团队围绕整个系统在减重问题上下了大量工夫,不仅材料要轻质化,而且还要对设备进行“瘦身”。面对月表恶劣的温差环境,也对国旗展示系统的工艺设计、集成设计提出了很高要求。

国旗展示系统立项时,研制团队先后论证过采用四级杆、三级杆和二级杆来作为国旗的方案,但考虑到复杂性和重量等原因,最终选择使用二级杆的方式来呈现。

国旗展示系统项目负责人李云峰表示,“我们之所以采用杆系结构方案,是因为它在航天系统里算比较成熟的技术,包括卫星、飞船等航天器的太阳能电池帆板展开,使用的都是杆系结构,其目的就是保证可靠性。”

另外,为了控制整个国旗展示系统的重量,研制团队还对结构进行了优化设计,在选取耐高温、抗严寒材料的基础上尽量将支架臂做薄、做小。

国旗展示系统使用的支架结构在空间环境中要承受冷热交变、空间辐照、极低真空等恶劣环境考验,如果选材不当,可能会发生冷焊(即两块接触金属在太空极低真空环境下会粘连一起),由此带来的问题是机构不能正常工作或打开。

李云峰表示,“为了解决冷焊问题,我们对系统所有的机构和关键位置都进行了防冷焊处理,以保证部件能满足太空环境和月表对温度的要求。可以说,我们为了将国旗展示系统的重量控制在1公斤,整个研制团队做出了不懈努力。”

多种试验确保机构成功开展

保证可靠性是整个国旗展示系统的第一任务,整套系统涉及解锁、支架展开、支架固定等步骤,如果支架无法在月球上成功展开,一切都将前功尽弃。

李云峰表示,“每一个动作都要确保工作正常,而且这一系列动作都必须在1秒钟内完成。所以,我们的工作是责任重大、使命光荣。”

火工品是整个国旗展示系统中最基础的一环,如果它无法起爆解锁,后续动作就无从谈起。因此,负责机构解锁的火工品爆炸装置成为了关键。

程昌表示,国旗展示系统使用的火工品在国内同等用途和功能中属于最小之一。小,意味着它对环境适应性十分敏感,稍有不慎就可能失效,尤其是面对月球恶劣的温差环境,更需要保证地面给它指令时就能成功起爆。

面对这一难题,研制团队通过将火工品放在-200摄氏度左右的液氮罐里和高温环境下进行了几十次试验,模拟它在月球极大温差环境下能否正常使用。

与此同时,在国旗展示系统中与火工品同样重要的2根扭簧则是机构支架展开的关键动力源。

弹簧的弹性系数在-5摄氏度到25摄氏度的范围内一般不会发生变化,如果超过100摄氏度和低于-30摄氏度都会导致弹簧材料的强度降低,弹性系数也随之降低。

工业中设备中常用的扭簧肯定无法满足国旗展示系统展开机构的要求,为此,研制团队专门找到弹簧生产厂家按照要求专门订制,然后在试验室里对其进行高低温、长期压紧、拉伸等试验,经常观察它的力学变化情况,以保证扭簧的可靠性。