盤點嫦娥五號的“黑科技”與“新材料”

據國家航天局消息,嫦娥五號探測器經過約19小時月面工作,于12222時順利完成月球表面自動采樣,并已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。

自動采樣是此次任務的核心關鍵環節之一。嫦娥五號通過機械臂表取、鉆具鉆取,通過深鉆、淺鉆、“鏟土”“挖土”“夾土”等各種方式,實現了多點、多樣化自動采樣。目前,它已經把樣品打包裝好,準備背著它們離開月球。

在月面超過100攝氏度的高溫考驗下,它克服了測控、光照、電源等方面的條件約束,舒展長臂,高高舉起了“挖土鏟”……

此處需注明的是,嫦娥五號的挖土鏟,可跟咱們在生活中用到的不一樣。這臺設備一頭是一個小鏟子,一頭是淺表鉆,可以360度無死角可視化操作,能輕松完成鏟挖、淺鉆、拾取這些動作。

嫦娥五號的“手臂”纖細、白皙,卻結實有力。如果說人的手臂力量來自肱二頭肌、肱撓肌、掌肌等,這條集高顏值、高科技于一體的機械臂,各個關節的力量來自于安裝在關節處的的電機。這就是由中國航天科技集團四院401所研制的表采關節臂電機組件。

針對鉆取任務,航天科技集團五院529廠為嫦娥五號提供了一套“金剛鉆”。

這套鉆取子系統,具備鉆進能力強、排粉能力強、月壤適應性強三大“基本功”。

嫦娥五號不能移動,落到哪就得在哪鉆,這對鉆取適應性提出很高要求。研制團隊開展了上千次地面鉆取試驗,積累形成了不同工況的鉆取參數數據庫;通過在軌預編程自主控制,實現了鉆取子系統“回轉”“沖擊”和“回轉+沖擊”三種模式,以及不同參數的自由切換,以適應多種月壤工況。

“取得著、封得住”是鉆取子系統的核心技術之一。為保證取得的巖芯在提出過程中不會掉落,系統采用開放式構型的“8字型”超彈性合金絲作為封口方案,與取芯軟袋末端進行一體化縫合,依靠彈性收縮力來實現簡單可靠的封口。

嫦娥五號鉆取的樣品封入軟袋后,將被裝進環形封裝容器,再運送到上升器頂端。月球表面坑洼不平,如果嫦娥五號著陸時站得不正,有可能影響到樣品的傳送。

針對低重力下著陸姿態角度對樣品傳送的不利影響,研制團隊設計了具有碰撞自適應能力的傳送方案。通過彈性驅動為月壤封裝容器提供初始速度,再借助重力,將含有三級導向錐角的封裝容器沿固定導向結構傳送到上升器內。該方案不需要續送機構,簡單可靠,可以在不同著陸姿態下,實現封裝容器精準傳送。

為確保月球樣品在返回地球過程中,保持真空密閉以及不受外界環境影響,嫦娥五號在月面對樣品進行了密封封裝。

為此該所給嫦娥五號研制了專用打包裝置——密封封裝子系統。它能自動承接、封裝月球樣品,并妥善密封保存。

該系統裝在嫦娥五號最頂端,由主體框架、密封容器組件、蓋體組件和開合機構組件等組成。鏤空的主體框架上分布著用于轉移的棘齒和導向條,鈦合金和鋁合金材料能保證其結構強度和剛度,并最大限度減輕重量。

航空航天領域對材料性能的要求十分苛刻,先進陶瓷因具有高溫強度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強度、出色耐熱沖擊性和摩擦學性能,能確保優異的機械可靠性、耐熱性和耐磨性等,是航空航天應用的極佳選擇。

超聲電機用壓電陶瓷

要對月球表面進行成像與成像分析,一定少不了紅外成像光譜儀,控制它工作的是一個高性能超聲電機。只有46克的超聲電機重量僅為傳統電機的1/10。壓電陶瓷作為超聲電機的“心臟”,能保證超聲電機電力強勁,并能經受月球大的溫差。此項技術首次被應用于“玉兔號”,本次同樣肩負探月使命的嫦娥五號應該也少不了它。

光學望遠鏡

由上海硅酸鹽所研制的高致密碳化硅特種陶瓷材料,因其質量輕、熱導率高,面型穩定性好,可在零下20攝氏度至40攝氏度的溫度下穩定工作,即使因熱脹冷縮引起的變形也微乎其微的特點,曾作為嫦娥三號月基光學望遠鏡中,主鏡、次鏡和指向鏡的材料,這次也有極大可能被應用于嫦娥五號。

關鍵部件

由上海交通大學研制的納米陶瓷鋁合金,結合了陶瓷與鋁的優點,強度和剛度甚至超過了擁有“太空金屬”之稱的鈦合金,已被應用于天宮一號、天宮二號、量子衛星、氣象衛星等關鍵部件。這次嫦娥五號應該也有不少核心部件由該材料打造。

發射器芯片

天馬新材的氧化鋁陶瓷基板,2003年就被成功應用在發射器的芯片上,將神舟五號成功發射。歷經多年考驗的性能,本次嫦娥五號的成功發射應該也有它一份功勞。

國旗

在月球上將首次展示采用復合纖維材料的織物材料作為旗面的國旗,這一場景是令人期待。為使國旗旗面在月球表面超過 200 ℃的高低溫變化下,以及月面的極紫外環境下始終保持清晰鮮艷,航天科工集團四院的載荷團隊采用了抗輻射和抗靜電涂層的特殊設計,并進行了大量試驗。

防腐導電性鍍層

海南文昌發射基地的環境是高溫、高濕、高鹽的,傳統防護涂層無法同時滿足防腐和導電的難題,對于嫦娥五號是一個前所未有的挑戰。中國科學院金屬研究所通過不斷的嘗試及優化,研制出了滿足新環境的鎂合金防腐導電性鍍層。

發動機包覆材料

航空航天領域需要面對高空低壓的環境,為了確保發動機高空噴管的結構與性能,常會使用碳纖維制成套筒包裹住姿控發動機噴管。

鑒定件鍍膜材料

對接機構與樣品轉移分系統涉及到多種方案,為了攻克關鍵技術難題需要無數的試驗試錯。在進行鑒定件的力學試驗時,采用濺射二硫化鉬作為潤滑鍍膜材料。

陀螺油

航空航天領域對于陀螺儀的浮液要求非常高,必須高比重、高黏度。中國科學院上海有機化學研究所經過長期的生產摸索,為嫦娥五號提供了專用氟油。

嫦娥五號這次奔月還穿了閃亮亮的“外套”,應該是由專用的有機熱控涂層、高溫抗氧化涂層武裝過的材料,結合高溫隔熱屏、柔性薄膜熱控涂層及組件等,幫助嫦娥五號控制溫度,應對太空工作的極端空間熱環境。

 

 

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