嫦娥五号飞天揽月的背后,细说那些年上天

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北京时间12月17日1时59分,嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着中国首次月球采样返回任务圆满完成。首次从月面起飞;首次在38万公里外的月球轨道进行无人交会对接;首次带月壤以接近第二宇宙速度返回地球……诸多首次叠加,搭建起年底令世界瞩目的航天大戏。

人类对外太空的求索欲由来已久,正如飞行里程刚刚超过3亿公里的天问一号探测器名字的由来,早在战国时期,诗人屈原就发出了“日月安属?列星安陈?”的《天问》,这其中包含着人类对自然文化和宇宙的不断探索,也寓意着追求科学的道路长路漫漫、永无止境,但是我们将会不断的探索。

说起登月,大家自然很容易想起“这是我的一小步,却是全人类的一大步”。年人类第一次踏上月球,阿姆斯特朗在月球表面留下的脚印里,鞋底是用聚酯氨泡沫包裹三维的管状尼龙纤维结构制成的缓震材质,可以在吸收压力之后进行回弹,因为具有优秀的缓震性能,被用到了宇航员们的登月靴子上。

一同“上天”的材料还有制造奥尔德林和阿姆斯特朗所穿航天服遮阳板用的聚砜(PSU)聚合物,这是一种坚韧透明的塑料,可以抵抗极高的温度。航天服使用的纤维制品主要是尼龙经编织物、PU涂层尼龙织物、氯丁橡胶涂敷尼龙织物以及聚四氟乙烯、凯夫拉芳纶和诺梅克斯间位芳纶等纤维制品,阿波罗探月航天服的面料甚至达21层之多。

去年,NASA公布了新一代航天服,由包括凯夫拉芳纶和碳纤维在内的多达种材料构成,厚度可控制在4.8mm左右,可适应极端的环境条件。在此基础上,麻省理工学院团队提出了更轻薄的航天服,其最大特点在于融合了记忆合金、被动弹性材料和静电纺丝材料,采用半刚性的压力条带固定在柔性紧身服装上制成的反压力服,替代了传统宇航服装所需的笨重的充气式压力限制层,从而可大大减轻重量和提升灵活性。

“嫦娥飞天”组成了探月工程三步走的任务,此次嫦娥五号承担的是“绕、落、回”中的“回”,从月表下2米深的月壤取样,将成为研究月球地质和月球演化的重要材料。它的“前辈”嫦娥四号则在去年实现了人类探测器首次月背软着陆以及月背与地球首次中继通信的任务,在此背后,有中国材料技术与工程的应用支撑。

上海交通大学材料科学与工程学院复合材料研究所、金属基复合材料国家重点实验室研制出由SiC颗粒增强铝基复合材料制成的行走棘爪,成功应用于“玉兔二号”月球车。SiC颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、高刚度、高耐磨、耐冲击、尺寸稳定等特点,能承受月球表面各种苛刻的服役工况条件,为“玉兔二号”配备上了“超级风火轮”。

在月背着陆的“嫦娥四号”,通过绕道月球远端的中继卫星“鹊桥”和地球保持联络,“鹊桥”上最重要的伞状通信天线,使用了东华大学参与研制的星载天线金属网。天线网所用材料表面镀金,里面是钼丝,既轻便又稳定,强度也高,在好材料的基础上,采用纺织经编技术的金属网既强又韧,受得住发射飞行外力“折腾”。

12月4日,中国国家航天局公布了嫦娥五号探测器在月球表面国旗展示的照片,这是继嫦娥三号、四号任务后,五星红旗又一次展现在月球表面,同时也是五星红旗第一次月表动态展示。由于宇宙中有很强的电磁辐射,且月球表面有正负摄氏度的温差,普通材质的五星红旗一旦裸露在月球上,就会立即褪色、串色甚至分解开来。武汉纺织大学技术人员通过大量的摸底性实验,如耐热性、耐高低温、抗静电、抗月尘等,以国产高性能芳纶纤维材料为主,采用“高效短流程嵌入式复合纺纱技术”,制备出高品质月面展示国旗面料。

航空航天领域对材料性能的要求十分严格,围绕嫦娥五号我们也看到了国产材料的突飞猛进。上海硅盐酸研究所承担了热控涂层、高温抗氧化涂层、高温隔热屏、发动机包覆材料、柔性薄膜控涂层及组件、耐烧蚀天线透波窗,以及大尺寸二氧化碲晶体、压电陶瓷等关键材料的研制。针对海南文昌“高温、高湿、高盐”发射环境,金属研究所经大量尝试及优化,研制出满足新环境的镁合金防腐导电性镀层。上海有机化学研究所提供了陀螺仪以及嫦娥五号闪亮的“外套”含有的有机热控涂层,可以帮助其控制温度,应对太空工作的极端空间热环境。

如果说上述材料和技术“上天”促进了航天事业的发展,那么“入地”则是航天技术接上地气,民用价值被不断放大的过程。由于进入太空、探索太空、获取太空资源等而衍生的技术、产业和经济效益正在改变着人们的生活。

“阿波罗”航空计划中,为解决宇航员在太空可以吃到蔬菜补充维生素而发明的冷冻脱水蔬菜技术,出现在了我们随处可见的方便面里。为解决宇航员小便的问题,太空服加入高吸水性树脂和可以单向渗漏的表面包覆,这种吸水能力超强的材料进入到我们的生活中,成为新生儿家庭必备的纸尿裤。而曾用于神舟五号飞船的高分子材料已经被普遍用于电力领域的设备防凝露治理,成为提高供电稳定性的助推力量。

从飞天揽月到渗透社会生产与人们生活各个角落,航天科技民用化蓬勃发展,材料的百变性和多样化使其适用于各种应用场景,既可以走在最前沿应对极端的外部环境,也能在工业生产中承担起设备平稳运行的保障重任,更能深入到衣食住行,通过技术切实改善民生。我们欢迎嫦娥五号凯旋,期待面向未知领域的下一次出征,更期待一次次科研发展和技术升级带来的更好的生活。




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