解密嫦娥四號軟著陸的“腿” 緩沖拉桿為軟著陸提供關(guān)鍵保障

1月3日，嫦娥四號探測器實現(xiàn)了人類探測器首次在月球背面軟著陸。消息傳到“科學島”，島上一片歡騰，驕傲和自豪的神情讓這些平時不茍言笑的科學家再也掩飾不住內(nèi)心的激動。

月球背面凹凸不平，如何實現(xiàn)“軟著陸”是月球登陸的技術(shù)性挑戰(zhàn)。位于安徽省合肥市“科學島”上的中科院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所的科研團隊，自主研發(fā)出緩沖拉桿，為此次月背軟著陸提供了關(guān)鍵保障。

月球背面凹凸不平對拉桿緩沖要求高

1月3日10時26分，嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，實現(xiàn)人類探測器首次在月球背面軟著陸。當天下午，中科院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所(以下簡稱固體所)召開新聞通氣會稱，固體所為此次月背探測提供了軟著陸用關(guān)鍵產(chǎn)品“緩沖拉桿”，也就是俗稱嫦娥四號的“腿”。固體所繼嫦娥三號任務(wù)之后，再次為嫦娥四號成功軟著陸作出重要貢獻。

月球背面像一個“盾牌”，為地球擋住了隕石的直接撞擊。因此，月球背面隕石坑的數(shù)量遠遠多于正面，而且，月面布滿溝壑、峽谷、懸崖，平坦區(qū)域極少，“這意味著嫦娥四號探測器著陸時，將面臨四條主著陸腿著陸時間不一、沖擊力分布不均帶來的巨大風險。”嫦娥四號探測器著陸緩沖元件項目骨干、固體所材料應(yīng)用技術(shù)研究室副研究員王幸福博士說，在極端條件下，部分拉桿甚至將要承受更為強烈的沖擊拉伸作用。

因此，在探測器著陸時，拉桿必須高效、可靠、穩(wěn)定地發(fā)揮吸能作用，來吸收巨大的沖擊力，保障探測器安全平穩(wěn)地著陸。但是，著陸機構(gòu)的整體重量又受到嚴格約束，拉桿必須在有限的體積、尺寸、重量和塑性變形條件下，吸收盡可能高的能量。“因此，拉桿材料必須具備極高的拉伸塑性、適中的抗拉強度和穩(wěn)定的力學響應(yīng)行為。”

固體所勇挑重擔研制高效吸能合金材料

鑒于在保障探測器安全著陸中的重要作用，同嫦娥三號一樣，拉桿也被確定為嫦娥四號著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵重要件。而這項關(guān)鍵重要件的研制任務(wù)，交給了固體所的研發(fā)團隊。

王幸福告訴記者，自2007年起，固體所就開始承擔拉桿材料的探索任務(wù)。“當時，國內(nèi)并沒有合適的材料，我們就不斷嘗試，經(jīng)過了無數(shù)次實驗，歷時六年，最終研制出一種新型緩沖吸能拉桿材料，給它命名為高效吸能合金。”

據(jù)介紹，目前商業(yè)應(yīng)用的金屬材料最高塑性只能達到50%，而高效吸能合金的塑性可達到80%~110%。也就是說，一根1米長的緩沖拉桿，最大可拉伸至2.1米。“這種材料的吸能特性遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的金屬材料，在國際也屬于領(lǐng)先水平。”

就這樣，固體所項目組研制的高效吸能合金，為著陸機構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了關(guān)鍵材料支撐，也填補了我國地外天體探測器著陸緩沖用拉桿材料的空白。而利用高效吸能合金材料研制出來的緩沖拉桿產(chǎn)品，塑性達到70%以上，能夠吸收巨大的沖擊力，從而為嫦娥三號、嫦娥四號在月面著陸時提供重要的保障作用。

將承擔更多的深空探測任務(wù)

2013年，固體所研制的緩沖拉桿成功保障嫦娥三號月面軟著陸，為我國首個航天器踏足地外天體作出了重要貢獻。2014年項目負責人韓福生研究員被人社部、工信部等六部委聯(lián)合授予“探月工程嫦娥三號任務(wù)突出貢獻者”榮譽稱號，與此同時，單位獲得國防科工局關(guān)于探月三期研制保障條件建設(shè)項目的經(jīng)費支持，為固體所航天特種金屬材料研發(fā)中心的建設(shè)與發(fā)展提供了重要契機。

2016年，固體所與航天五院成立聯(lián)合實驗室，在多學科領(lǐng)域展開了深度合作。2017年，依托航天特種金屬材料研發(fā)平臺籌建的安徽省特種金屬材料工程實驗室獲批立項，為航天新材料更新?lián)Q代、應(yīng)用推廣奠定了良好基礎(chǔ)。

除了為嫦娥四號探測器首次在月球背面軟著陸提供安全保障，固體所還承擔了“火星一號”著陸器緩沖元件研制任務(wù)，并已順利通過方案以及初樣產(chǎn)品驗收，正式轉(zhuǎn)入正樣研制階段。此外，載人登月項目也已展開論證。作為嫦娥三號、嫦娥四號等探測器唯一拉桿材料提供單位，固體所自主研制的緩沖拉桿材料，未來將有望在我國深空探測領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

多個研究機構(gòu)為嫦娥登月作貢獻

記者了解到，除了合肥科學島上的固體所，安徽還有多個研究機構(gòu)，為嫦娥四號成功著陸在月球背作出了貢獻。

據(jù)了解，嫦娥四號的信號在穿越地月間38萬公里的超遠距離后，從太空到達地面時已十分微弱。為了清晰、準確地接收到信號，中國電科16所低溫電子/超導(dǎo)電子研發(fā)部自主研制的低溫接收機，作為月球探測器的“順風耳”，在-260℃低溫環(huán)境下，接收到“嫦娥”來自遙遠太空的微弱信號。中國電科16所有關(guān)研發(fā)人員告訴記者，他們研制的低溫接收機，應(yīng)用于嫦娥四號的測控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)，接收探測器的信標信號和通信數(shù)據(jù)。“服務(wù)于本次任務(wù)的低溫接收機解決了低溫接收機真空密封技術(shù)、低損耗隔熱傳輸技術(shù)，首次研制了新型密封窗和隔熱方式，采用極化器一體冷卻方式，解決了低溫下冷卻變形技術(shù)難點。其中，低溫接收組件實現(xiàn)極低噪聲技術(shù)，低溫低噪聲放大器噪聲溫度小于6K，達到國際先進水平。”

另外，月球探測器中的激光測距敏感器的功能，是提供著陸器到月面的距離信息，激光三維成像敏感器的功能是獲取著陸區(qū)三維地形，它們共同為著陸安全降落提供有力保障。而中國電科43所此次也為嫦娥四號月球探測器配套研制了某型高壓抗輻照空間DC/DC變換器電路，應(yīng)用在探測器的激光測距敏感器和激光三維成像敏感器中，為敏感器提供高壓供電，成為敏感器中的關(guān)鍵元器件。相關(guān)人員告訴記者，小巧的電源將輸入的電流，經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波、變壓，然后將純凈、穩(wěn)定、連續(xù)的電流輸送給敏感器使用，“如果把電流比喻成人類的血液供氧給其他器官，電源就相當于敏感器的心臟，保證了血液的流向和血壓，它的研制成功，為著陸器安全可靠的著陸提供了有力的保障。”