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嫦娥五號探測器的著陸器、上升器組合體成功降落在月球表面后,點火起飛前,著陸器上攜帶的一面五星紅旗成功展開,標志著月面國旗展示系統首次在月面展示成功。這是繼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現中國國旗首次亮相月球,和2018年12月8日嫦娥四號探測器將國旗帶向月球背面后,我國國旗又一次在月球表面的成功展示,也讓中國探測器在月球上再次打上“中國標識”。

更令人驕傲的是,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, 這次嫦娥五號探測器亮出的國旗是一面真正的“織物版”旗幟。這背后凝聚了中國航天科工集團航天三江九部科研人員的智慧與汗水。

超1年為國旗精心選材

在月球亮相的“織物版”國旗不簡單!織物版國旗是怎么做出來的?

中國航天科工國旗展示系統設計團隊開展技術研討

嫦娥五號月面國旗展示系統是有效載荷分系統的組成單機之一,也是有效載荷分系統唯一一個關鍵項目。這是一面真正的“織物版”旗幟。但由于宇宙環境有很強的電磁輻射,加上月球表面有著正負150攝氏度的溫差,普通國旗無法在月球上使用。

國旗展示系統項目指揮馬威說,國旗展示系統是艙外單機系統,自運載火箭拋掉整流罩后,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,“我們通過試驗發現,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,科研團隊就設計了多種國旗展示形式,有記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機構展示方案等通過卷軸形式展開國旗的方式,也有通過折扇形式展開國旗的方式,但通過高低溫試驗后發現,只有卷軸形式展開的國旗比較平整,不會出現褶皺等情況。

可如何保證國旗展開時擁有足夠的強度,能保持平整呢?研制團隊在研究中發現,有些纖維材料的強度很高,但染色性能較差,染色性能較好的纖維材料,強度又達不到要求。

研制團隊一邊地毯式查閱文獻資料,一邊廣泛開展調研論證,攜手國內優勢單位開展關鍵技術聯合攻關。國旗展示系統技術負責人程昌說,科研團隊在選材上花費的時間就超過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、防月球塵埃等在內的物理試驗,科研團隊最終決定采用某新型復合材料,既能滿足強度要求,又能滿足染色性能要求,從而保證國旗能夠抵御月表惡劣的環境,做到不褪色,不串色、不變形。

國旗展示系統只重1公斤

在月球亮相的“織物版”國旗不簡單!織物版國旗是怎么做出來的?

中國航天科工國旗展示系統研制團隊研討制造工藝

由于嫦娥五號國旗展示系統的重量只有1公斤,研制團隊圍繞整個系統在減重問題上下了大量工夫,不僅材料要輕質化,而且還要對設備進行“瘦身”。面對月表惡劣的溫差環境,也對國旗展示系統的工藝設計、集成設計提出了很高要求。

國旗展示系統立項時,研制團隊先后論證過采用四級桿、三級桿和二級桿來作為國旗的方案,但考慮到復雜性和重量等原因,最終選擇使用二級桿的方式來呈現。

國旗展示系統項目負責人李云峰說,之所以采用桿系結構方案,是因為它在航天系統里算比較成熟的技術,包括衛星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開,使用的都是桿系結構,其目的就是保證可靠性。

另外,為了控制整個國旗展示系統的重量,研制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盡量將支架臂做薄、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、極低真空等惡劣環境考驗,如果選材不當,可能會發生冷焊(即兩塊接觸金屬在太空極低真空環境下會粘連一起),由此帶來的問題是機構不能正常工作或打開。

李云峰表示,為了解決冷焊問題,科研人員對系統所有的機構和關鍵位置都進行了防冷焊處理,以保證部件能滿足太空環境和月表對溫度的要求。

試驗嚴上加嚴,確保國旗順利展示

保證可靠性是整個國旗展示系統的第一任務,整套系統涉及解鎖、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。“每一個動作都要確保工作正常,而且這一系列動作都必須在1秒鐘內完成。所以,我們的工作是責任重大、使命光榮。” 李云峰說。

火工品是整個國旗展示系統中最基礎的一環,如果它無法起爆解鎖,后續動作就無從談起。因此,負責機構解鎖的火工品爆炸裝置成為了關鍵。

程昌表示,國旗展示系統使用的火工品在國內同等用途和功能中屬于最小之一。小,意味著它對環境適應性十分敏感,稍有不慎就可能失效,尤其是面對月球惡劣的溫差環境,更需要保證地面給它指令時就能成功起爆。

面對這一難題,研制團隊通過將火工品放在零下200攝氏度左右的液氮罐里和高溫環境下進行了幾十次試驗,模擬它在月球極大溫差環境下能否正常使用。

與此同時,在國旗展示系統中與火工品同樣重要的2根扭簧則是機構支架展開的關鍵動力源。

彈簧的彈性系數在零下5攝氏度到25攝氏度的范圍內一般不會發生變化,如果超過100攝氏度和低于零下30攝氏度都會導致彈簧材料的強度降低,彈性系數也隨之降低。

工業中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,為此,研制團隊專門找到彈簧生產廠家按照要求專門訂制,然后在試驗室里對其進行高低溫、長期壓緊、拉伸等試驗,觀察它的力學變化情況,以保證扭簧的可靠性。

責任編輯:端焰

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