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骄傲!大家让五星红旗在月球成功展示!——记航天三江嫦娥五号“月面国旗展示系统”研发纪实

发布时间:2020-12-04    信息来源: 中国航天科工

图为月面起飞前亮国旗 模拟动图

12月3日23时10分,嫦娥五号上升器从月面起飞,携带月球样品成功进入预定环月轨道。这是中国首次实现地外天体起飞。

点火起飞前,嫦娥五号着上组合体实现月面五星红旗展开,这是中国在月球表面首次实现五星红旗的“独立展示”。这面闪耀月球的五星红旗重量只有1公斤,在正负150摄氏度的温差下仍能“保持本色”。

月面国旗展示系统

2013年12月15日,嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车完美互拍实现中国国旗首次亮相月球;

2018年12月8日,嫦娥四号探测器将国旗带向月球背面;

2020年12月3日,嫦娥五号着陆器上的国旗展示系统首次在月面成功展示。

但是,嫦娥五号探测器国旗展示的方式与“嫦娥三号”和“嫦娥四号”有很大不同,且研制难度又迈上了一个大台阶。

航天三江九部作为“嫦娥五号”月面国旗展示系统的研制单位,为了研制这套与众不同的国旗展示系统,经历了诸多挑战,克服了诸多困难。

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的组成单机之一,也是有效载荷分系统唯一一个关键项目。与“嫦娥三号”“嫦娥四号”以及玉兔月球车上的国旗采用喷涂方式不同,“嫦娥五号”国旗则是一面真正的旗帜。

由于宇宙拥有很强的电磁辐射,以及月球表面有着正负150摄氏度的温差等恶劣环境,这就决定了普通国旗无法在月球上使用。

在国旗展示系统立项初期,科研团队为此设计了多种展示形式,既有记忆合金展示方案、伺服升旗方案、机构展示方案等通过卷轴形式展开国旗,也有通过折扇形式展开国旗等方案,但通过高低温试验后发现,只有卷轴形式展开的国旗比较平整,不会出现褶皱等情况。

但是,如何保证国旗展开时拥有足够的强度,保持平整,研制团队围绕这一问题做了很多理论研究和模拟试验。他们在研究中发现,虽然有些纤维材料的强度很高,但染色性能较差,染色性能较好的纤维材料,强度又达不到要求,因此,单一纤维和纺织工艺都无法满足月面环境的要求。同时,还要保证国旗卷起时在正负150摄氏度温差环境下不能粘连在一起。

国旗展示系统项目指挥马威表示,“国旗展示系统是舱外单机系统,自运载火箭抛掉整流罩后,从地月转移轨道进入月球轨道,再到探测器着陆在月球上,它都一直暴露在极端恶劣环境中。大家通过试验发现,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。”

对于首次接受宇航研制任务的该团队来讲,完全是摸着石头过河,其巨大的技术难题摆在了眼前。为保质保量完成研制任务,研制团队不畏艰难,一边地毯式查阅文献资料,一边广泛开展调研论证,携手国内优势单位开展关键技术联合攻关。为此,他们只好走出去与大学和科研机构合作,咨询众多国内知名的纺织企业,寻找适合在月球上使用的纤维材料。

国旗展示系统技术负责人范开春表示,科研团队在选材上花费的时间就超过1年,联合武汉纺织大学最终挑选出了二三十种纤维材料,然后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,科研团队最终决定采用某新型复合材料,既能满足强度要求,又能满足染色性能要求,从而保证国旗能够抵御月表恶劣的环境,做到不褪色,不串色、不变形。

用马威的话来讲,虽然只是一面薄薄的国旗,但科技含量十分高。

整个系统重量控制在1公斤

“嫦娥五号”国旗平面运动包络将近2000mm×900mm,整个系统的重量只有1公斤。马威表示,选择这样的旗面尺寸是研制团队经过综合考虑的结果,目的是尽量突出视场效果,让相机拍出来的照片既能看到月表一部分,深空一部分,也能看到着陆器的一部分,如果国旗太大或太小,照片都无法呈现出丰富的元素。

由于“嫦娥五号”国旗展示系统的重量只有1公斤,研制团队围绕整个系统在减重问题上下了大量工夫,不仅材料要轻质化,而且还要对设备进行“瘦身”。面对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、三级杆和二级杆来作为国旗的方案,但考虑到复杂性和重量等原因,最终选择使用二级杆的方式来呈现。

国旗展示系统项目负责人李云峰表示,“大家之所以采用杆系结构方案,是因为它在航天系统里算比较成熟的技术,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。”

另外,为了控制整个国旗展示系统的重量,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。

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会粘连一起),由此带来的问题是机构不能正常工作或打开。

李云峰表示,“为了解决冷焊问题,大家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。可以说,大家为了将国旗展示系统的重量控制在1公斤,整个研制团队做出了不懈努力。”

多种试验确保机构成功开展

保证可靠性是整个国旗展示系统的第一任务,整套系统涉及解锁、支架展开、支架固定等步骤,如果支架无法在月球上成功展开,一切都将前功尽弃。

李云峰表示,“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。所以,大家的工作是责任重大、使命光荣。”

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。因此,负责机构解锁的火工品爆炸装置成为了关键。

副主任设计师程昌表示,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,研制团队通过将火工品放在-200摄氏度左右的液氮罐里和高温环境下进行了几十次试验,模拟它在月球极大温差环境下能否正常使用。

与此同时,在国旗展示系统中与火工品同样重要的2根扭簧则是机构支架展开的关键动力源。

弹簧的弹性系数在-5摄氏度到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-30摄氏度都会导致弹簧材料的强度降低,弹性系数也随之降低。

工业中设备中常用的扭簧肯定无法满足国旗展示系统展开机构的要求,为此,研制团队专门找到弹簧生产厂家按照要求专门订制,然后在试验室里对其进行高低温、长期压紧、拉伸等试验,以及经常观察它的力学变化情况,以保证扭簧的可靠性。

超高难度加工,确保“旗开得胜”

国旗从“静若处子”到“动若脱兔”,一面旗,一张图,一种能力,成功背后凝聚着航天人的不懈追求。国旗展示系统由月面国旗、压紧释放装置、展开机构三部分组成。航天三江红峰企业主要承担展开机构机加件的加工。

作为此次国旗展示系统的主管工艺师,数年的攻关、几载的蛰伏,如今一朝梦圆,黄敏深知其中不易。

生产开始,挑战就来了。整套系统在折叠状态下像超大号的“月光宝盒”,系统的终极任务是“旗开得胜”:国旗能顺利展开,并且打开之后不变形。

国旗的“旗杆”顶端有一个空心球,作用是固定旗杆,让外形更美观,并且为了降低飞船载荷,其重量必须小到极致。企业从未加工过此类空心球,只能“想破脑袋”去做。

或许是“妙手偶得”,在无路可走的时候,家里孩子的一个玩具扭蛋带来灵感,扭蛋外表浑然一体,完全看不出是两个部件。制作两个半球,加工螺纹,就能组合为完整球体。但想要实现完全密闭式的“天衣无缝”并不容易。球壁薄如头发丝,加工螺纹相当于在头发丝上做微雕,既要结实又不能有丝毫裂纹。

经过大量精细计算,得出可靠的螺距和螺纹环数。黄敏跟车工廖光恒经过半天琢磨,最终加工成功,零件顺利通过多项试验考验,获得认可。此项工艺后来获得发明专利。

国旗代表一个国家的尊严和荣誉。“那是国家的脸面,大家必须要保证它一尘不染。”整套系统中,国旗被完全收纳在“旗杆”里,一起固定在基座上,在登上月球前都处于“密封”状态。随火箭发射升空,期间要经受高温高热考验。要确保基座“零变形”、旗面“无污染”,密封圈至关重要。黄敏与设计师对产品结构进行优化,经过反复试验成功解决问题。

地球上的试验解决了,月球上的怎么办?这就需要进行月球环境模拟实验。黄敏反复摸索,设计出了一套试验装置来模拟月球重力,将展示系统固定在上面进行试验,成功验证系统在月球时的展开情况。

整套展示系统零件多,最小的不过指甲盖大,攻丝中部分异形零件只能靠手工一点点掌握。生产现场噪音大,为杜绝干扰,首席钳工李基平将攻关搬到了大师工作室。为保证旗面一尘不染,他干活都会戴上白细纱手套,就怕指甲划到旗面涂层。

负责杆系加工的姚峰成与刘海刚在进行多次尝试后,最终将加工方法定型,对进给速度、切削深度等细节锱铢必较,甚至每次干完,都很慎重地对光查看细节,像观赏艺术品和试戴贵重首饰一样小心,然后放进自制的精美包装箱。

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