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“织物版”五星红旗首次在月球成功展示,怎么做到的?

责任编辑:连政 来源:微信公众号“装备科技”      2020-12-04 07:03:02

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,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,这是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”,也标志着月面国旗展示系统圆满成功。这是继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,和2018年12月8日嫦娥四号探测器将国旗带向月球背面后的又一次在月球表面的成功展示,也让中国探测器在月球上再次打上“中国标识”。

五星红旗月面展示模拟图丨中新网

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。中国航天科工集团航天三江九部作为“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。我们通过试验发现,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程昌表示,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,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即能看到月表一部分,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,“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,我们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,我们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,我们的工作是责任重大、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。

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℃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℃到2℃的范围内一般不会发生变化,如果超过100℃和低于-30℃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定制,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。

一面国旗,十年见证——嫦娥五号“月面国旗展示系统”研发纪实

2013年12月,嫦娥三号探月,嫦娥着陆器和玉兔月球车互相拍照,月球车“胸前”的五星红旗鲜艳夺目。月球上首秀“留影”,国旗是“静静躺在玉兔怀里”。2020年12月3日,在嫦娥五号探测器完成采样任务上升起飞前,国旗展示系统成功在月面打开。从2011年国旗展示系统开始预研立项到2020年成功实现“自拍”,十年间所有的坚守与付出,在这一刻,对中国航天科工集团有限公司国旗展示系统产品研发团队而言,一切都是值得的。

科学攻坚,万道难题悉数破解

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。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,在激动自豪的同时,航天科工所属航天三江红峰公司主管工艺师黄敏深知其中不易。航天三江产品亮相太空已经不是第一次了,“太空厨房”、“太空医院”已经多次随航天员出征。而这次研制月面国旗展示系统,对这个团队来说一切都需要从零开始。无限挑战也意味着无限可能,一向要强不服输的黄敏没有退缩。

生产开始,挑战就来了。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。红峰公司主要承担展开机构机加件的加工。整套系统在折叠状态下像超大号的“月光宝盒”,长约半米多,随嫦娥五号着陆月球后接收指令解锁打开。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。但登月的前提是:系统足够轻。几十个零件都要想方设法“变苗条”。

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。公司从未加工过此类空心球,节点紧急,又无经验借鉴,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。

需要经过大量的精细计算,才能得出可靠的螺距和螺纹环数。带着疑问,黄敏马上跟车工廖光恒沟通,能否一试。半天后,加工成功,球体外部又车了一刀,双保险保证“永不分离”,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,我们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?月球的重力只有地球的六分之一,按照月球重力设计的国旗展示系统,在地球重力下扭簧力矩不能将系统展开,无法判断试验成功与否。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。

无限尝试,完美答案追求放心

“上天的产品,质量必须万无一失。”这是每个参与者的不懈追求,也是航天人自豪的底气。整个项目研制,每一步都是第一次。“摸着石头过河”,无论是设计师、工艺师还是负责加工的工人师傅,都要考虑到所有可能的细节。一直大步向前的黄敏,见证了团队为了寻找最完美的答案,每一次的执着拼搏。

首席钳工李基平,负责零件的钳工加工工序和整套系统的零件装配。“我是1964年原子弹爆炸那天出生的,干航天是一种缘分,参与国旗展示项目更是使命,必须要干好。”面对任务,在一线摸爬滚打几十年的他同样感觉责任重大。负责国旗展开的扭簧是整个系统的关键件,它的力学性能直接关系到整个系统的成败,寻找最佳测试方法是当务之急。生产现场噪音大,为杜绝零干扰,他将攻关搬到了“李刚工作室”。经过一个多星期的闭关尝试,终于啃下“硬骨头”。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。为保证旗面一尘不染,李基平干活戴上了白细纱手套干活,就怕指甲划到旗面涂层。

数控铣的每一次加工,各类刀具是必备“武器”。在数控铣班组,刘海刚和姚峰成是有名的“刀郎”。两人都喜欢干研制产品,碰到高难度的“大活儿”自然当仁不让。一级杆、二级杆是展示系统的重要组成部分,加工过程中极易变形。负责一级杆加工的姚峰成,曾在高倍放大镜和高聚光手电筒的辅助下成功完成过神舟配套产品的“微雕”。这次他却说:“一接到图纸脑袋都大了”。二级杆加工者刘海刚,技师协会的一员稳重大将,更是直言“遭遇了职业生涯中的最难挑战”。二人迅速组成“联盟”,分析难点,开始试加工,在选刀、选择“秘笈”、确定“招数”中进行多种谨慎尝试。“最苦恼的是几种方案,不知道哪种最好。设计的理论方案可以仿真,但实操只能一点点试。”上完晚班回到家已经深夜12点,姚峰成睡不着,坐在阳台上琢磨下一步的预案。刘海刚也睡不好觉,心里总想着怎么干才能最好。

两人在日夜攻关中不断磨砺。“产品是我们的脸面,也是单位的脸面,航天的脸面,中国的脸面。”“登月的时候可以自豪地跟自己的孙子说,这个是爷爷做出来的。”加工方法定型,“心头大患”解决了,同一战壕的战友又开始吹毛求疵的互相“挑刺”,对进给速度、切削深度等细节锱铢必较,甚至每次干完,都很郑重地对光查看细节,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。

无悔坚守,旗帜飘扬一朝梦圆

在“国家利益高于一切”的面前,航天人默默坚守,慎终如始。过程总在反复,节点刻不容缓。一旦有紧急情况,必须整装待发。

过年前一个风雪交加的夜里,还在加班的黄敏接到电话:“零件要送去专业机构做检测,工艺和检验必须在现场盯着,保证完全符合标准。明天必须到现场。” 天寒地冻,10岁的女儿独自在家,“我老公当时在几十公里外做试验,我回家收拾行李马上就得出发,只能让他尽快往家赶。” 夫妻二人都奋战在航天一线,这样的接力是常有的事。当天晚上赶到武汉,第二天一早7点的火车,赶到目的地已经中午1点多,匆匆吃了碗面,黄敏就跑去全程“盯梢”。几十件产品验完,已经是晚上八点多。第二天又回到厂家检测其他性能,下午带着检测报告和产品回到公司,才算是大功告成。两三天时间,争分夺秒,跨越几千里,虽然身心俱疲,黄敏回来的时候心情却特别好,“没有这个零件,整套产品就装配不了,生产就会停滞,大家都很着急,这下终于解脱了。”

发射前的技术保障工作中,“护旗手”李基平几乎全程紧跟,北京、上海、沈阳、西安……天南海北。每次试验都要模拟旗帜打开,结束后李基平都要根据现场需要对系统进行细致拆装,收拢国旗,既要保护旗面,又要保护整套系统的外观。经常是接到通知,带上产品、工装、设备、行李包跟时间赛跑,不是赶火车,就是赶飞机。一出差短则几天,长则半个多月。“踩着风火轮”去,整个拆装、收拢花不了20分钟,等待却需要20多个小时。入职五年的朱俊峰是李基平的“替补”。说到项目参与,这位90后小伙很激动。“有次跟设计师出差,第一次接触航天模拟试验,在监控室虽然看不懂数据,但看到试验人员工服上的中国航天标志,还是莫名的兴奋。”

“经过无数次摸索,定型的产品在外观上更漂亮,尺寸上更精细,细节上更完美,功能上更稳定,整套产品都很完善。我们很有信心。”旗开得胜,放心的质量换来月宫上的精彩亮相,所有的努力都有了结果。

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