本報記者 劉揚(yáng)
記者從國家航天局獲悉,嫦娥五號在順利完成月面自動采樣封裝之后于3日深夜成功飛離月面,而在點(diǎn)火起飛前,著陸器上升器組合體攜帶的一面“織物版”五星紅旗成功展開。2013年12月15日嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車完美互拍實(shí)現(xiàn)中國國旗首次亮相月球,2018年12月8日嫦娥四號探測器將國旗帶向月球背面。《環(huán)球時報》記者從月面展示國旗系統(tǒng)的研制單位獲悉,嫦娥五號探測器國旗展示的方式與嫦娥三號和嫦娥四號有很大不同,且研制難度又邁上了一個臺階。
選材用時超1年
記者從研制單位中國航天科工集團(tuán)航天三江九部獲悉,嫦娥五號月面國旗展示系統(tǒng)是本次任務(wù)有效載荷分系統(tǒng)一個關(guān)鍵項目。與嫦娥三號、嫦娥四號以及玉兔月球車上的國旗采用噴涂方式不同,嫦娥五號國旗則是一面真正的旗幟。由于宇宙擁有很強(qiáng)的電磁輻射,以及月球表面有著正負(fù)150攝氏度的溫差等惡劣環(huán)境,這就決定了普通國旗無法在月球上使用。
據(jù)介紹,在國旗展示系統(tǒng)立項初期,科研團(tuán)隊設(shè)計了多種展示形式,既有記憶合金展示方案等通過卷軸形式展開國旗,也有通過折扇形式展開國旗等方案,但通過高低溫試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),只有卷軸形式展開的國旗比較平整,不會出現(xiàn)褶皺等情況。但如何保證國旗展開時擁有足夠的強(qiáng)度,保持平整,研制團(tuán)隊圍繞這一問題做了很多理論研究和模擬試驗(yàn)。他們在研究中發(fā)現(xiàn),雖然有些纖維材料的強(qiáng)度很高,但染色性能較差,染色性能較好的纖維材料,強(qiáng)度又達(dá)不到要求,因此單一纖維和紡織工藝都無法滿足月面環(huán)境的要求。同時,還要保證國旗卷起時在正負(fù)150攝氏度溫差環(huán)境下不能粘連在一起。
據(jù)國旗展示系統(tǒng)項目指揮馬威介紹,“國旗展示系統(tǒng)是艙外單機(jī)系統(tǒng),自運(yùn)載火箭拋掉整流罩后,從地月轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入月球軌道,再到探測器著陸在月球上,它都一直暴露在極端惡劣環(huán)境中。我們通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果把地球上使用的國旗放在月球上,它的顏色在很短時間內(nèi)就會褪色、串色,甚至分解?!?/p>
對于首次接受宇航研制任務(wù)的該團(tuán)隊來講,完全是摸著石頭過河,其巨大的技術(shù)難題擺在了眼前。國旗展示系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人程昌表示,科研團(tuán)隊在選材上花費(fèi)的時間就超過1年,最終挑選出了二三十種纖維材料,然后通過做包括熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等在內(nèi)的物理試驗(yàn),科研團(tuán)隊最終決定采用某新型復(fù)合材料,從而保證國旗能夠抵御月表惡劣環(huán)境,不褪色、不串色、不變形。馬威說,“雖然只是一面薄薄的國旗,但科技含量十分高。”
整個系統(tǒng)重量控制在1公斤
據(jù)《環(huán)球時報》記者了解,國旗展示系統(tǒng)由月面國旗、壓緊釋放裝置、展開機(jī)構(gòu)三部分組成。按照研制單位的說法,整套系統(tǒng)在折疊狀態(tài)下像超大號的“月光寶盒”,長約半米多,隨嫦娥五號著陸月球后接收指令解鎖打開。整個系統(tǒng)的重量只有1公斤。馬威表示,旗面尺寸經(jīng)過了綜合考慮,目的是盡量突出視場效果,讓相機(jī)拍出來的照片既能看到月表一部分,深空一部分,也能看到著陸器的一部分,如果國旗太大或太小,照片都無法呈現(xiàn)出豐富的元素。
由于嫦娥五號國旗展示系統(tǒng)的重量只有1公斤,研制團(tuán)隊圍繞系統(tǒng)減重下了大量功夫,不僅材料要輕質(zhì)化,而且還要對設(shè)備進(jìn)行“瘦身”。面對月表惡劣的溫差環(huán)境,也對國旗展示系統(tǒng)的工藝設(shè)計、集成設(shè)計提出很高要求。
據(jù)研制單位介紹,國旗展示系統(tǒng)立項時,先后論證過多種備選方案,但考慮到復(fù)雜性和重量等原因,最終選擇使用二級桿的方式來呈現(xiàn)。國旗展示系統(tǒng)項目負(fù)責(zé)人李云峰表示,“我們之所以采用桿系結(jié)構(gòu)方案,是因?yàn)樗诤教煜到y(tǒng)里算比較成熟的技術(shù),包括衛(wèi)星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開,使用的都是桿系結(jié)構(gòu),就是要保證可靠性?!?/p>
國旗展示系統(tǒng)使用的支架結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境中要承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環(huán)境考驗(yàn),如果選材不當(dāng),可能會發(fā)生冷焊(即兩塊接觸金屬在太空極低真空環(huán)境下會粘連在一起),由此帶來的問題是機(jī)構(gòu)不能正常工作或打開。李云峰表示,“為了解決冷焊問題,我們對系統(tǒng)所有的機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵位置都進(jìn)行了防冷焊處理,以保證部件能滿足太空環(huán)境和月表對溫度的要求?!?/p>
多種試驗(yàn)確保成功展開
保證可靠性是整個國旗展示系統(tǒng)的第一任務(wù)。據(jù)介紹,整套系統(tǒng)涉及解鎖、支架展開、支架固定等步驟,如果支架無法在月球上成功展開,一切都將前功盡棄。李云峰表示,“每個動作都要確保工作正常,而且一系列動作都必須在1秒鐘內(nèi)完成?!?/p>
火工品是整個國旗展示系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的一環(huán),如果它無法起爆解鎖,后續(xù)動作就無從談起。因此,負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)解鎖的火工品爆炸裝置成為了關(guān)鍵。研制人員表示,國旗展示系統(tǒng)使用的火工品在國內(nèi)同等用途和功能中屬于最小之一。小,意味著它對環(huán)境適應(yīng)性十分敏感,稍有不慎就可能失效,尤其是面對月球惡劣的溫差環(huán)境,更需要保證地面給它指令時就能成功起爆。面對這一難題,研制團(tuán)隊通過將火工品放在負(fù)200攝氏度左右的液氮罐里和高溫環(huán)境下進(jìn)行了幾十次試驗(yàn),模擬它在月球極大溫差環(huán)境下能否正常使用。
同時,在國旗展示系統(tǒng)中與火工品同樣重要的兩根扭簧則是機(jī)構(gòu)支架展開的關(guān)鍵動力源。為滿足月面展開的特殊要求,研制團(tuán)隊專門找到彈簧生產(chǎn)廠家按照要求專門定制,然后在試驗(yàn)室里對其進(jìn)行高低溫、長期壓緊、拉伸等試驗(yàn),以及經(jīng)常觀察它的力學(xué)變化情況,以保證扭簧的可靠性?!?/p>