五星紅旗再次亮相月球!
2020年12月04日10:09

  來源:科技日報

  據國家航天局12月3日消息,嫦娥五號著陸上升組合體在月面工作期間,實現了月面國旗展開。這是我國在月球表面首次實現國旗的“獨立展示”,也是繼嫦娥三號、四號任務之後,五星紅旗又一次在月球亮相。

月面起飛前亮國旗。模擬動圖
月面起飛前亮國旗。模擬動圖

  記者從中國航天科工集團獲悉,嫦娥五號的國旗展示方式,與嫦娥三號、四號有很大不同,研製難度又邁上了一個大台階。

  這是一面真正的旗幟

  嫦娥五號月面國旗展示系統,是有效載荷分系統中的關鍵項目。

  相比嫦娥三號、四號以及玉兔月球車上噴塗的國旗,嫦娥五號的國旗是一面真正的旗幟。

  作為月面國旗展示系統研製單位,航天科工集團航天三江九部研製團隊克服了重重困難。

  由於宇宙擁有很強的電磁輻射,加上月球表面有著正負150攝氏度的溫差等,惡劣的環境決定了普通旗幟無法在月球上使用。

  國旗展示系統項目指揮馬威表示,該系統是艙外單機系統。自運載火箭拋掉整流罩後,從地月轉移軌道進入月球軌道,再到探測器著陸在月球上,它都一直暴露在極端惡劣環境中。通過試驗發現,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就會褪色、串色,甚至分解。

  在國旗展示系統立項初期,科研團隊設計了多種展示形式,有記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機構展示方案等通過捲軸形式展開國旗,也有通過摺扇形式展開國旗方案。通過高低溫試驗後發現,只有捲軸形式展開的國旗比較平整,不會出現褶皺等情況。

  但在保持平整前提下,國旗展開時還要有足夠的強度,同時要保證國旗捲起時在正負150攝氏度溫差環境下不能粘連在一起。為此研製團隊開展了很多理論研究和模擬試驗。他們發現,有些纖維材料強度很高,但染色性能較差;染色性能較好的纖維材料,強度又不達標。因此,單一纖維和紡織工藝都無法滿足月面環境要求。於是他們攜手大學和科研機構聯合攻關,並諮詢眾多國內紡織企業,尋找符合任務要求的纖維材料。

  據國旗展示系統技術負責人程昌介紹,科研團隊在選材上花費的時間超過1年,挑選出了二三十種纖維材料,通過熱匹配性、耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等試驗,最終選用某新型復合材料,製成了嫦娥五號展示的國旗。

國旗展示系統研製團隊在探討技術細節。中國航天科工集團供圖
國旗展示系統研製團隊在探討技術細節。中國航天科工集團供圖

  系統瘦身學問大

  嫦娥五號展示的國旗尺寸為2000毫米×900毫米。馬威表示,旗面尺寸是研製團隊經過綜合考慮確定的,目的是儘量突出視場效果,讓相機拍出來的照片既能看到月表、深空,也能看到著陸器。國旗太大或太小,照片都無法呈現出豐富的元素。

  國旗展示系統的重量限製在1公斤以內,其在應對惡劣環境的同時,材料、設備還要實現輕量化。這對系統的工藝、集成設計提出了很高要求。

  該系統項目負責人李雲峰介紹,採用的杆系結構方案是成熟技術,衛星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開,使用的都是杆系結構,以保證可靠性。系統立項時,研製團隊先後論證過四級杆、三級杆和二級杆方案,考慮到複雜性和重量等原因,最終選擇採用了二級杆來呈現國旗。

  為控制系統重量,研製團隊還對結構進行了優化設計,在選取耐高溫、抗嚴寒材料的基礎上,儘量將支架臂做薄、做小。國旗展示系統使用的支架結構在空間環境中要承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等環境考驗,如果選材不當,可能會發生冷焊,即兩塊接觸金屬粘連在一起,導致機構無法正常打開。對此,研製團隊對系統所有機構和關鍵位置都進行了防冷焊處理。

五星紅旗月面展示模擬圖。
五星紅旗月面展示模擬圖。

  保證可靠性是第一要務

  嫦娥五號國旗展示系統的工作,涉及解鎖、支架展開、支架固定等步驟,保證可靠性是系統第一要務。

  李雲峰說,這一系列動作都必須在1秒鍾內完成,每一個動作都要確保工作正常。

  火工品是該系統中最基礎的一環,如果它無法起爆解鎖,後續動作就無從談起。程昌介紹,國旗展示系統使用的火工品,在國內同等用途火工品中屬於最小的之一。小,意味著它對環境適應性十分敏感,稍有不慎就可能失效。尤其是在月球惡劣環境下,更要保證地面發出指令時,它就能成功起爆。

  面對這一難題,研製團隊將火工品放入零下200攝氏度左右的液氮罐,以及放在高溫環境下進行了幾十次試驗,以驗證它在月球極大溫差環境下能否正常使用。

  機構支架展開的關鍵動力源是2根扭簧。

  彈簧的彈性係數在零下5攝氏度到25攝氏度範圍內一般不會發生變化,但超過100攝氏度或低於零下30攝氏度,都會導致彈簧材料的強度降低,彈性係數也隨之降低。

  工業設備中常用的扭簧,肯定無法滿足國旗展示系統展開機構的要求。研製團隊找到廠家按要求訂製了扭簧,然後對其開展了高低溫、長期壓緊、拉伸等試驗,觀察其力學變化情況,以確保其工作可靠。

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