近日,《中国航天报》客户端发布报道:“选材1年,正负150℃下不褪色,月面国旗‘高级定制’”,文中介绍,经过约19小时月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,2020年12月3日23时10分,上升器带着月球“土特产”顺利升空,踏上返航之旅。在完成采样任务上升起飞前,着陆器携带的一面“织物版”五星红旗在月面成功展开。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。

这标志着,在中国航天历史上,第一面在没有温控的严酷环境条件下的织物国旗,成功在月球上展示。月面国旗展示系统由中国航天三江集团联合武汉纺织大学等单位共同研制,其中国旗由中国航天三江集团国旗展示系统技术负责人范开春团队联合武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林教授团队历时八年、持续攻关完成,华茂集团一同参与了研制及生产,华茂集团用其六十多年的生产经验,依靠严格的品质管控技术,提供了近于“苛刻”的质量保障,保证了国旗的航天品质。研制期间,探月工程三期总工程师胡浩、中国科学院空间中心、中国航天三江集团等单位领导专家多次来校指导。

此次月面展示国旗装载在着陆器外侧,无任何温控保护措施。当整流罩脱落后,国旗将面临着太空中的高度真空、高低温循环以及强计量紫外辐照等极端环境条件。为确保国旗在月面展示时的完美呈现,徐卫林教授团队经过一系列科技攻关,开发出了体现中国特色的耐极端环境条件的高性能纺织品国旗。

 

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了喷涂方式不同,嫦娥五号携带的国旗是一面可“打开”的旗帜。

由于宇宙有很强的电磁辐射,加上月球表面有着正负150摄氏度的温差等恶劣环境,这就决定了普通材质的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。

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黏连在一起。

国旗展示系统项目指挥马威介绍说,“国旗展示系统是舱外单机系统。当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。”因此,对于首次接受宇航研制任务的团队来讲,需要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程昌说,科研团队在选材上花费的时间就超过1年,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。虽然只是一面薄薄的国旗,但科技含量十分高。

 

 整个系统质量控制在1公斤 

 

由于嫦娥五号的国旗展示系统的质量只有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”。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。

国旗展示系统项目负责人李云峰表示,“我们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质量,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黏连一起),导致机构不能正常工作或打开。为了解决冷焊问题,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。

 

保证可靠性是第一任务

 

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。”

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。程昌说,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。面对这一难题,研制团队通过将火工品放在零下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根扭簧是机构支架展开的关键动力源。研制团队在试验室里进行高低温、长期压紧、拉伸等试验,以保证扭簧的可靠性。

 

国产高性能纤维材料及其制造技术以实力来支撑

 

该面国旗以国产高性能芳纶材料为主,最终选用两种国产高性能纤维材料,采用 “高效短流程嵌入式复合纺纱技术”,攻克了高模量差异纤维高品质纱线制备的技术难题,制备出高品质月面展示国旗面料;利用小分子调控技术实现了芳纶的结构调控及颜色构建,并在此基础上实现了极端紫外条件下优良的耐日晒牢度。该面国旗同时利用 “优质天然高分子材料的超细粉体化及其高附加值的再利用技术”制备了微纳米蚕丝粉体,利用其与颜料粒子的协同作用,从本质上解决了极端条件下颜料热升华及热迁移牢度问题。通过以上技术攻关,实现了国旗在太空环境中耐受极端高真空、高低温循环,以及强计量紫外辐照等条件的高色牢度颜色构建的目的。

近年来,武汉纺织大学发挥纺织、材料等学科优势,以学科链深度对接产业链,与行业龙头企业协同攻关,突破“卡脖子”关键技术,“现代纺织、大纺织、超纺织”科研和应用不断拓展。据悉,该团队承担了该项任务后,还承担了“天问一号”等航空航天关键任务。未来,徐卫林教授所带领的纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室将不忘初心、坚持不懈,将月面展示国旗研发中取得的关键技术民用化,让航天技术普惠万家。

 

来源:武汉纺织大学及网络素材

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