哈工大科研團隊揭秘:天問一號的五星紅旗在火星如何展開?

北京新浪網 (2021-06-16 07:09)
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「中國印跡」圖新華社發

  原標題:天問一號的五星紅旗在火星如何展開

  張士英/光明日報

  6月11日,國家航天局舉行天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖揭幕儀式,公佈了由「祝融號」火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、「中國印跡」和「著巡合影」等影像圖。這批科學影像圖的發佈,標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

  在「中國印跡」和「著巡合影」兩張影像圖中,鮮紅方正的中國國旗清晰可見。哈爾濱工業大學航天學院冷勁松教授團隊自主設計並研製的中國國旗鎖緊展開機構,歷經202天地火轉移軌道飛行和93天環繞探測,飛行4.75億公里后,於2021年5月15日在天問一號著陸器上成功完成了中國國旗可控動態展開,使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結構應用於深空探測工程的國家。

  哈爾濱工業大學航天學院復合材料與結構研究所於20世紀90年代初,在杜善義院士的指導和支持下,在國內較早地確立了智能材料與結構的研究方向。在「理工結合,服務航天」發展理念的指導下,冷勁松教授團隊在智能結構力學、設計及其航天航空應用等研究領域深耕細作、集智創新。該團隊在國內率先研發了具有獨立自主知識產權的環氧基、氰酸酯基、聚酰亞胺基等系列形狀記憶聚合物材料(Shape Memory Polymer,SMP),玻璃化轉變溫度可調(37℃-322℃),滿足空間極端惡劣環境下的使用要求。

  冷勁松教授團隊根據天問一號火星探測任務的總體任務需求,在中國空間技術研究院支持下,基於具有獨立自主知識產權的形狀記憶聚合物復合材料,通過精細的力學理論分析和巧妙的智能結構設計,成功研製出中國國旗鎖緊展開機構。

  天問一號從發射入軌到著陸火星曆經9個多月時間,探測風險高、難度大,國旗鎖緊展開機構面臨行星際空間環境、火星稀薄大氣、火星風等挑戰,同時存在著陸環境不確定、地面無法干預等難點,對產品的可靠性提出了嚴苛的要求。「通過模擬火星環境下的力學、熱真空、熱循環和鎖緊展開功能等多次反覆迭代的極端環境試驗驗證,我們為著陸平台創新設計製備了卷繞鎖定-展開模式的國旗鎖緊展開機構,國旗展開過程與中國傳統書畫的展開方式類似,解決了低溫、輻照等極端惡劣使役環境下,長時間鎖定、低衝擊可靠展開的關鍵技術難題。」冷勁松表示。

  據冷勁松介紹,在著陸火星前,國旗鎖緊展開機構處於卷繞收納狀態,通過形狀記憶聚合物復合材料結構實現長時間鎖定。著陸火星后通過加熱形狀記憶復合材料實現超低衝擊解鎖和可控展開,釋放並展開五星紅旗(由蘭州空間技術物理研究所研製)。展開后,形狀記憶聚合物復合材料的剛度回復到與常規復合材料相當的水平,提供高剛度承載功能。與貼裝、摺疊收納展開等攜帶國旗方式相比,自主設計並研製的國旗鎖緊展開機構的質量輕、收納比高,可適用於較大尺寸國旗。與展開瞬態衝擊高達10000g以上的基於火工品的展開結構相比,國旗鎖緊展開機構幾乎無衝擊。

  團隊研製的國旗鎖緊展開機構首次在火星上實現中國國旗的可控動態展開,展開后的五星紅旗在火星風的沐浴下迎風飄揚,為中國探測器在火星上打上「中國標識」,為建黨100周年獻禮。

  據悉,這是繼2016年、2020年哈工大科研團隊在國際上首次實現地球同步軌道環境下形狀記憶聚合物復合材料及其柔性太陽能電池系統在軌成功驗證之後,在國際上首次實現形狀記憶聚合物智能結構在火星探測工程中應用,標誌著我國在智能材料及其在航天器結構的應用領域處於國際前列。

  未來,基於形狀記憶聚合物復合材料的智能結構等相關技術有望應用於我國空間站、探月工程、載人登月、火星探測、木星探測、小行星探測、冰巨星探測、深空探測等重大航天工程,在航天、航空、汽車、高端裝備、智能製造、機器人及生物醫療等領域也具有廣泛的應用前景。