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嫦娥5号上的"织物版"国旗:选材1年 正负150度不褪色
www.wforum.com | 2020-12-04 19:14:46  澎湃新闻 | 0条评论 | 查看/发表评论

       12月3日23时10分,嫦娥五号上升器带着月球“土特产”顺利升空,踏上返航之旅。在完成采样任务点火起飞前,嫦娥五号着上组合体携带的一面“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”。

嫦娥5号上的"织物版"国旗:选材1年 正负150度不褪色

        五星红旗月面展示模拟图

  此次国旗展示,从打开到竖起仅耗时1秒钟,由一套专门设计的国旗展示系统完成。这是继嫦娥三号、四号任务之后,五星红旗再次亮相月球,为月球又一次打上“中国标识”。

  选材花费时间超过1年

  嫦娥五号月面国旗展示系统,是有效载荷分系统中的关键项目。与嫦娥三号、嫦娥四号上的国旗采用喷涂方式不同,嫦娥五号亮出的国旗是一面真正的旗帜。这种旗杆式国旗在我国探月工程中是首次使用。

  由于宇宙中拥有很强的电磁辐射,且月球表面有正负150摄氏度的温差等恶劣环境,普通材质的旗帜无法在月球上使用。国旗展示系统项目指挥马威表示,科研团队通过试验发现,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。

  为此,科研团队花费了超过1年时间,挑选出二三十种纤维材料,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,最终决定采用某新型复合材料,制成了嫦娥五号展示的国旗。据国旗展示系统技术负责人程昌介绍,这种材料既能满足强度要求,又能满足染色性能要求,从而保证国旗抵御月表恶劣的环境,做到不褪色、不串色、不变形。

  整个系统重量控制在1公斤

  嫦娥五号国旗展示系统的重量只有1公斤。围绕整个系统的减重问题,研制团队不仅要实现材料轻质化,而且还要对设备进行“瘦身”。而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、三级杆和二级杆方案,但考虑到复杂性和重量等原因,最终选择使用二级杆方式来呈现国旗。据国旗展示系统项目负责人李云峰介绍,最终采用的杆系结构方案是在航天系统里比较成熟的技术,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。

  与此同时,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。据悉,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粘连一起,导致机构无法正常工作或打开。对此,研制团队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。

  多种试验确保机构成功开展

  嫦娥五号国旗展示系统涉及解锁、支架展开、支架固定等步骤,保证可靠性是整个系统的第一任务。“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。”李云峰表示。

  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。据程昌介绍,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,研制团队将火工品放在零下200摄氏度左右的液氮罐里以及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。

  此外,机构支架展开的关键动力源——2根扭簧,同样至关重要。弹簧的弹性系数在零下5摄氏度至25摄氏度的范围内一般不会发生变化,如果超过100摄氏度和低于零下30摄氏度,都会导致弹簧材料的强度降低,弹性系数也会随之降低。

  工业中设备中常用的扭簧,自然无法满足国旗展示系统展开机构的要求。面对这种情况,研制团队找到厂家按照需求专门订制,然后对其开展高低温、长期压紧、拉伸等试验,观察其力学变化情况,以保证扭簧的可靠性。

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