作者:黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2019/1/15 9:59:45
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登陆月球背面的背后支撑

“玉兔二号”月球车轮子外侧,由SiC颗粒增强铝基复合材料制成的棘爪。上海交通大学供图

 

■本报记者 黄辛

“嫦娥四号”着陆后,巡视器随即进行分离,“玉兔二号”月球车在月球背面留下了“人类首次行走”足迹,这一切都凝聚了上海交通大学材料技术团队的心血。

2019年1月3日上午10点26分,“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。

此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆,首次月背与地球的中继通信,开启了人类月球探测新篇章。“嫦娥四号”着陆后,巡视器随即进行分离,“玉兔二号”月球车在月球背面留下了“人类首次行走”足迹,成功开启在月球背面的巡视探测任务。这一伟大壮举背后也有着上海交通大学材料技术的应用与支撑,彰显了上海交大科学家的智慧。

为“嫦娥四号”构建“金刚不坏之身”

上海交通大学材料科学与工程学院复合材料研究所、金属基复合材料国家重点实验室张荻教授、欧阳求保教授团队研制的高性能SiC增强铝基复合材料为“嫦娥四号”探测器在月球背面软着陆、“玉兔二号”月球车在月球背面巡视探测等提供材料和部件支撑,为中国迈向空间时代贡献力量。

该研究团队研制的高性能SiC增强铝基复合材料应用于“嫦娥四号”探测器中四个关键载荷,包括激光测距仪、三维成像仪、红外光谱仪等星载光学仪器中的镜筒、光学底板、框架等12种关键构件。在复杂的空天使役条件下,星载光学仪器的任务要求其必须具有很高的分辨率和稳定的光学性能,这就要求对结构与器件进行优化设计时,所用材料必须具有足够的尺寸稳定性和良好的刚性等优异的综合性能。而传统材料难以满足这方面的性能要求。

据介绍,研究人员研制的SiC颗粒增强铝基复合材料具备轻质、高刚性、高尺寸稳定的特点,可满足载荷结构轻量化、不变形、尺寸稳定的需求,解决了星载仪器高分辨率和高稳定性的难题,为“嫦娥四号”的运行和完成各项科学探测任务提供重要支撑。

为“玉兔二号”打造“超级风火轮”

月球车在人类从未探知的月球背面开展巡视工作,要面临恶劣复杂的空间环境和复杂未知的地形地貌的考验。如“昼夜”超过300℃的温差导致构件产生热应力及热变形,月球车在行走时要承受各种碰撞、挤压、摩擦、磨损等。登陆月球背面的过程会非常曲折,任何细小的失误都会引发一连串的问题,严重的甚至能导致登月失败。用于主要与月球表面接触的行走机构棘爪是月球车开展月球移动探测的关键和难题之一。

科学家研制的由SiC颗粒增强铝基复合材料制成的行走棘爪,成功应用于“玉兔二号”月球车。SiC颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、高刚度、高耐磨、耐冲击、尺寸稳定等特点,能够承受月球表面各种苛刻复杂的服役工况条件,为“玉兔二号”月球车在月球背面行走保驾护航。

长期致力于中国航天工程

除上述成果外,长期以来,张荻教授、欧阳求保教授所带领的研究团队对铝基复合材料开展了系统和深入的基础和应用基础研究,使上海交通大学材料科学与工程学院复合材料研究所、金属基复合材料国家重点实验室成为我国轻质高强铝基复合材料主要研发和制造基地。

针对制约我国航天用非连续增强金属基复合材料制备科学中复合调控难、界面匹配难、形变加工难三个难点,研究人员经过辛勤努力,研制成功的SiC增强铝基复合材料性能达到国际领先水平,已获得国家发明专利20余项。并建立了国内首个航天用铝基复合材料技术标准,以及国家标准,形成了高性能铝基复合材料的批量、多品种研制和生产能力,并成功推广应用,为我国高科技发展和维护国家安全做出了重要贡献。

据悉,在支撑此次“嫦娥四号”探测器登陆月球背面任务之前,SiC颗粒增强铝基复合材料已先后多次在探月工程、载人航天工程等航天重大工程中成功应用,并不断扩大应用数量和范围。

在“嫦娥三号”探测器、“玉兔号”月球车成功登陆月球后,科技部曾这样评价该团队:作为我国探月二期工程的主任务,“嫦娥三号”探测器是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和巡视探测活动,是探月工程“绕、落、回”三步走中承前启后的关键一步。金属基复合材料国家重点实验室(上海交通大学)为我国探月工程研制了多种高性能铝基复合材料及构件,并成功应用于“玉兔号”月球车的移动分系统和“嫦娥三号”光学系统,为国家航天科技发展做出贡献。

2010年10月1日发射的“嫦娥二号”探测器,成功应用3种构件。

2013年12月发射的“嫦娥三号”探测器,共计12种构件成功应用于3种载荷,并成功应用于“玉兔号”月球车行走机构棘爪构件。

2016年10月19日发射的“天宫二号”飞船,成功应用45种200余件SiC颗粒增强铝基复合材料构件。

2016年12月发射的“风云四号”气象卫星和2018年9月发射的“海洋一号C”等卫星型号中均成功应用了SiC颗粒增强铝基复合材料及构件。

“至今已累计为航天重要工程提供关键构件10000余件。”在自豪之余,上海交大材料学院的科研人员表示,将持续关注国家重大需求,践行“将论文写在祖国大地上”之理念,勇攀科学高峰,为我国航天事业再立新功。

《中国科学报》 (2018-01-15 第8版 探索发现)
 
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