揭秘天问一号的黑科技“保温服”:零下130℃~1000℃都能用,用火烧都没事

币游国际网

2021-06-08

5月15日7时18分,在距离地球亿千米之外,我国首次火星探测任务天问一号探测器成功实现火星表面软着陆,降落在预选着陆区乌托邦平原南部。

19日,以中国火神祝融命名的火星车传回了第一批火星照片,图像中火星表面纹理清晰,地貌信息丰富。

5月22日10时40分,祝融号火星车安全驶离着陆平台。

为了纪念这一天,火星车代表中国在火星行驶了米。

中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥表示:尽管只移动了米,但标志着我们绕、着、巡工程的目标圆满达成。

接下来,火星车将开始巡视探测。

按计划,火星车将开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测,通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达等6台载荷,对巡视区开展详细探测。

据介绍,此次火星探测的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等。 我国第一次火星探测就要完成绕落巡三大任务,中国航天科技集团五院、天问一号探测器总指挥总设计师顾问叶培建对此表示:我们第一次任务就要去探火星、绕火星探测、又要着陆,这是个创新。

全世界还没有一个国家一次任务完成这两步的,我们一次就完成了。

中国航天科工三院33所技术人员检查加速度计组件的加工质量精密元器件摆动范围,相对于月球,火星和地球之间的距离更远,最远时可达约4亿公里,这对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了更高的要求。 目前,在人类对火星实施的44次探测任务中,仅有24次成功。 曾有人比喻称,要让探测器在火星精准着陆,相当于从法国巴黎击出高尔夫球,落在日本东京的一个洞里。 要执行难度如此高的任务,地面能够随时了解飞行器的状态,至关重要。

石英挠性加速度计可以为飞行器的制导导航与控制分系统(GNC),随时随地提供加速度数据,实时感知飞行器在运动过程中的姿态信息。

中国航天科工三院33所、石英挠性加速度计研制工作负责人姜福灏对《中国经济周刊》介绍。 据悉,此次在火星着陆巡视器和祝融火星车上,均搭载了石英挠性加速度计,测量精度可达20微克,与此前在神舟系列飞船、探月工程等任务中的产品属于同一系列。 石英这种材质很常见,很多手表里都有,关键在于加工工艺。 据姜福灏介绍,加速计里有一块石英圆片,经过特殊的雕刻方式,把圆片中心和四周剥离开,只留下极少连接,相关联的部分被称为梁,最薄的梁仅有头发丝粗细的三分之一。

这样加工后的石英圆片可以在特定轴向任意摆动。 当飞行器发生速度变化时,可以通过摆片的摆动程度测量其加速度。

在模拟火星环境的测试中,当温度降到零下100摄氏度时,加速度计依旧可以提供测量数据,这一标准远超其正常的工作温度。 制作好的摆片,要在其上下两面安装经过精密绕制的线圈,共有6层200多圈的铜线环绕在金属环上。

加速度计是高度对称的结构,这也就意味着线圈的绕制必须近乎完美,不能乱,不能斜。 上下两个线圈重量之差不能超过毫克,相当于一根3厘米长的头发丝的重量。

姜福灏说。 中国航天科工三院33所技术人员在洁净间装配加速度计零下130℃~1000℃,自主研发材料经历冰火两重天考验因探测环境差异巨大,天问一号需要接受冰火两重天的温度考验。

据介绍,在火星着陆阶段,发动机产生的热量可致周围温度超过1000摄氏度;在火星巡视阶段,火星车的工作环境温度仅仅只有零下130摄氏度。 据《中国经济周刊》记者了解,祝融火星车上采用了新型隔热保温材料纳米气凝胶。 除了应对极热极寒的考验,纳米气凝胶的超轻特性还极大程度减轻了火星车的重量负担。

据中国航天科工三院306所副所长张昊对《中国经济周刊》介绍,纳米气凝胶是由纳米尺度固体骨架构成的三维立体网络,比空气还轻,是目前世界上最轻的固体。 此外,其导热系数仅为静止空气的一半,也是导热系数最低的固体。 事实上,探火任务并不是纳米气凝胶的首战。

2005年,306所自主投入该项技术研发,成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。 虽然有足够的经验积累,但天问一号执行任务时所面对的太空环境,还是给306所气凝胶团队出了难题。

火星着陆时发动机产生的热量使周围的温度超过1000℃,这超出了当时世界上气凝胶材料的耐温极限。

张昊说。 为突破技术难关,团队对天问一号开发出了两种气凝胶材料,先后进行了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项的试验测试。

据张昊介绍,此次采用的气凝胶材料经过技术升级,具有超强的隔热性能。

厚度约10毫米的隔热组件可在整个着陆过程中,将发动机周边上千度的高温阻隔到可接受的范围,就像消防员身上穿的防火服一样。

现场演示中,工作人员将一朵鲜花放在薄薄的气凝胶板上,用1200摄氏度的火焰灼烧气凝胶板底部,鲜花完好无缺。

通过在火星车表面铺设大面积的气凝胶板,则像给登山运动员穿上防寒服,阻隔了环境的超低温。

这种气凝胶的密度极低,达到15毫克每立方厘米,即在同等体积下,重量只有钢的1/500,铝的1/180,水的1/60。 张昊如是告诉《中国经济周刊》记者。

据了解,306所研制的气凝胶产品已经在二十几型航天装备上获得了应用,研究成果先后获得国家科技进步奖、国防技术发明奖和中国专利金奖等。

气凝胶材料的应用领域也逐渐拓展开来。 例如作为长征五号系列火箭的发动机燃气系统的隔热材料;被制成真空隔热板用在天舟一号天舟二号货运飞船的低温锁柜中。

编辑:张燕。