解密嫦娥四號(hào)軟著陸的“腿” 緩沖拉桿為軟著陸提供關(guān)鍵保障

1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。消息傳到“科學(xué)島”，島上一片歡騰，驕傲和自豪的神情讓這些平時(shí)不茍言笑的科學(xué)家再也掩飾不住內(nèi)心的激動(dòng)。

月球背面凹凸不平，如何實(shí)現(xiàn)“軟著陸”是月球登陸的技術(shù)性挑戰(zhàn)。位于安徽省合肥市“科學(xué)島”上的中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)，自主研發(fā)出緩沖拉桿，為此次月背軟著陸提供了關(guān)鍵保障。

月球背面凹凸不平對(duì)拉桿緩沖要求高

1月3日10時(shí)26分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門(mén)撞擊坑內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。當(dāng)天下午，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所(以下簡(jiǎn)稱固體所)召開(kāi)新聞通氣會(huì)稱，固體所為此次月背探測(cè)提供了軟著陸用關(guān)鍵產(chǎn)品“緩沖拉桿”，也就是俗稱嫦娥四號(hào)的“腿”。固體所繼嫦娥三號(hào)任務(wù)之后，再次為嫦娥四號(hào)成功軟著陸作出重要貢獻(xiàn)。

月球背面像一個(gè)“盾牌”，為地球擋住了隕石的直接撞擊。因此，月球背面隕石坑的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正面，而且，月面布滿溝壑、峽谷、懸崖，平坦區(qū)域極少，“這意味著嫦娥四號(hào)探測(cè)器著陸時(shí)，將面臨四條主著陸腿著陸時(shí)間不一、沖擊力分布不均帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。”嫦娥四號(hào)探測(cè)器著陸緩沖元件項(xiàng)目骨干、固體所材料應(yīng)用技術(shù)研究室副研究員王幸福博士說(shuō)，在極端條件下，部分拉桿甚至將要承受更為強(qiáng)烈的沖擊拉伸作用。

因此，在探測(cè)器著陸時(shí)，拉桿必須高效、可靠、穩(wěn)定地發(fā)揮吸能作用，來(lái)吸收巨大的沖擊力，保障探測(cè)器安全平穩(wěn)地著陸。但是，著陸機(jī)構(gòu)的整體重量又受到嚴(yán)格約束，拉桿必須在有限的體積、尺寸、重量和塑性變形條件下，吸收盡可能高的能量。“因此，拉桿材料必須具備極高的拉伸塑性、適中的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定的力學(xué)響應(yīng)行為。”

固體所勇挑重?fù)?dān)研制高效吸能合金材料

鑒于在保障探測(cè)器安全著陸中的重要作用，同嫦娥三號(hào)一樣，拉桿也被確定為嫦娥四號(hào)著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵重要件。而這項(xiàng)關(guān)鍵重要件的研制任務(wù)，交給了固體所的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

王幸福告訴記者，自2007年起，固體所就開(kāi)始承擔(dān)拉桿材料的探索任務(wù)。“當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有合適的材料，我們就不斷嘗試，經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，歷時(shí)六年，最終研制出一種新型緩沖吸能拉桿材料，給它命名為高效吸能合金。”

據(jù)介紹，目前商業(yè)應(yīng)用的金屬材料最高塑性只能達(dá)到50%，而高效吸能合金的塑性可達(dá)到80%~110%。也就是說(shuō)，一根1米長(zhǎng)的緩沖拉桿，最大可拉伸至2.1米。“這種材料的吸能特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的金屬材料，在國(guó)際也屬于領(lǐng)先水平。”

就這樣，固體所項(xiàng)目組研制的高效吸能合金，為著陸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵材料支撐，也填補(bǔ)了我國(guó)地外天體探測(cè)器著陸緩沖用拉桿材料的空白。而利用高效吸能合金材料研制出來(lái)的緩沖拉桿產(chǎn)品，塑性達(dá)到70%以上，能夠吸收巨大的沖擊力，從而為嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)在月面著陸時(shí)提供重要的保障作用。

將承擔(dān)更多的深空探測(cè)任務(wù)

2013年，固體所研制的緩沖拉桿成功保障嫦娥三號(hào)月面軟著陸，為我國(guó)首個(gè)航天器踏足地外天體作出了重要貢獻(xiàn)。2014年項(xiàng)目負(fù)責(zé)人韓福生研究員被人社部、工信部等六部委聯(lián)合授予“探月工程嫦娥三號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)者”榮譽(yù)稱號(hào)，與此同時(shí)，單位獲得國(guó)防科工局關(guān)于探月三期研制保障條件建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持，為固體所航天特種金屬材料研發(fā)中心的建設(shè)與發(fā)展提供了重要契機(jī)。

2016年，固體所與航天五院成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在多學(xué)科領(lǐng)域展開(kāi)了深度合作。2017年，依托航天特種金屬材料研發(fā)平臺(tái)籌建的安徽省特種金屬材料工程實(shí)驗(yàn)室獲批立項(xiàng)，為航天新材料更新?lián)Q代、應(yīng)用推廣奠定了良好基礎(chǔ)。

除了為嫦娥四號(hào)探測(cè)器首次在月球背面軟著陸提供安全保障，固體所還承擔(dān)了“火星一號(hào)”著陸器緩沖元件研制任務(wù)，并已順利通過(guò)方案以及初樣產(chǎn)品驗(yàn)收，正式轉(zhuǎn)入正樣研制階段。此外，載人登月項(xiàng)目也已展開(kāi)論證。作為嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)等探測(cè)器唯一拉桿材料提供單位，固體所自主研制的緩沖拉桿材料，未來(lái)將有望在我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

多個(gè)研究機(jī)構(gòu)為嫦娥登月作貢獻(xiàn)

記者了解到，除了合肥科學(xué)島上的固體所，安徽還有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，為嫦娥四號(hào)成功著陸在月球背作出了貢獻(xiàn)。

據(jù)了解，嫦娥四號(hào)的信號(hào)在穿越地月間38萬(wàn)公里的超遠(yuǎn)距離后，從太空到達(dá)地面時(shí)已十分微弱。為了清晰、準(zhǔn)確地接收到信號(hào)，中國(guó)電科16所低溫電子/超導(dǎo)電子研發(fā)部自主研制的低溫接收機(jī)，作為月球探測(cè)器的“順風(fēng)耳”，在-260℃低溫環(huán)境下，接收到“嫦娥”來(lái)自遙遠(yuǎn)太空的微弱信號(hào)。中國(guó)電科16所有關(guān)研發(fā)人員告訴記者，他們研制的低溫接收機(jī)，應(yīng)用于嫦娥四號(hào)的測(cè)控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)，接收探測(cè)器的信標(biāo)信號(hào)和通信數(shù)據(jù)。“服務(wù)于本次任務(wù)的低溫接收機(jī)解決了低溫接收機(jī)真空密封技術(shù)、低損耗隔熱傳輸技術(shù)，首次研制了新型密封窗和隔熱方式，采用極化器一體冷卻方式，解決了低溫下冷卻變形技術(shù)難點(diǎn)。其中，低溫接收組件實(shí)現(xiàn)極低噪聲技術(shù)，低溫低噪聲放大器噪聲溫度小于6K，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”

另外，月球探測(cè)器中的激光測(cè)距敏感器的功能，是提供著陸器到月面的距離信息，激光三維成像敏感器的功能是獲取著陸區(qū)三維地形，它們共同為著陸安全降落提供有力保障。而中國(guó)電科43所此次也為嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器配套研制了某型高壓抗輻照空間DC/DC變換器電路，應(yīng)用在探測(cè)器的激光測(cè)距敏感器和激光三維成像敏感器中，為敏感器提供高壓供電，成為敏感器中的關(guān)鍵元器件。相關(guān)人員告訴記者，小巧的電源將輸入的電流，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、濾波、變壓，然后將純凈、穩(wěn)定、連續(xù)的電流輸送給敏感器使用，“如果把電流比喻成人類(lèi)的血液供氧給其他器官，電源就相當(dāng)于敏感器的心臟，保證了血液的流向和血壓，它的研制成功，為著陸器安全可靠的著陸提供了有力的保障。”