首次“探火”背后的黑科技

賈璇

5月15日7時(shí)18分，在距離地球3.2億千米之外，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸，降落在預(yù)選著陸區(qū)——烏托邦平原南部。19日，以中國(guó)火神“祝融”命名的火星車傳回了第一批火星照片，圖像中火星表面紋理清晰，地貌信息豐富。

5月22日10時(shí)40分，祝融號(hào)火星車安全駛離著陸平臺(tái)。為了紀(jì)念這一天，火星車代表中國(guó)在火星行駛了0.522米。中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋表示：“盡管只移動(dòng)了0.522米，但標(biāo)志著我們繞、著、巡工程的目標(biāo)圓滿達(dá)成。”

接下來(lái)，火星車將開(kāi)始巡視探測(cè)。按計(jì)劃，火星車將開(kāi)展巡視區(qū)環(huán)境感知、火面移動(dòng)和科學(xué)探測(cè)，通過(guò)配置的地形相機(jī)、多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)等6臺(tái)載荷，對(duì)巡視區(qū)開(kāi)展詳細(xì)探測(cè)。

據(jù)介紹，此次火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

我國(guó)第一次火星探測(cè)就要完成“繞”“落”“巡”三大任務(wù)，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院、天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器總指揮總設(shè)計(jì)師顧問(wèn)葉培建對(duì)此表示：“我們第一次任務(wù)就要去探火星、繞火星探測(cè)、又要著陸，這是個(gè)創(chuàng)新。全世界還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家一次任務(wù)完成這兩步的，我們一次就完成了。”

精密元器件擺動(dòng)范圍僅為發(fā)絲粗細(xì)的三分之一

相對(duì)于月球，火星和地球之間的距離更遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)約4億公里，這對(duì)發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了更高的要求。目前，在人類對(duì)火星實(shí)施的44次探測(cè)任務(wù)中，僅有24次成功。

曾有人比喻稱，要讓探測(cè)器在火星精準(zhǔn)著陸，相當(dāng)于從法國(guó)巴黎擊出高爾夫球，落在日本東京的一個(gè)洞里。要執(zhí)行難度如此高的任務(wù)，地面能夠隨時(shí)了解飛行器的狀態(tài)，至關(guān)重要。

“石英撓性加速度計(jì)可以為飛行器的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)（GNC），隨時(shí)隨地提供加速度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)感知飛行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)信息。”中國(guó)航天科工三院33所、石英撓性加速度計(jì)研制工作負(fù)責(zé)人姜福灝對(duì)《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》介紹。

據(jù)悉，此次在火星著陸巡視器和祝融火星車上，均搭載了石英撓性加速度計(jì)，測(cè)量精度可達(dá)20微克，與此前在神舟系列飛船、探月工程等任務(wù)中的產(chǎn)品屬于同一系列。

“石英這種材質(zhì)很常見(jiàn)，很多手表里都有，關(guān)鍵在于加工工藝。” 據(jù)姜福灝介紹，加速計(jì)里有一塊石英圓片，經(jīng)過(guò)特殊的“雕刻”方式，把圓片中心和四周剝離開(kāi)，只留下極少連接，相關(guān)聯(lián)的部分被稱為“梁”，最薄的“梁”僅有頭發(fā)絲粗細(xì)的三分之一。這樣加工后的石英圓片可以在特定軸向任意擺動(dòng)。當(dāng)飛行器發(fā)生速度變化時(shí)，可以通過(guò)擺片的擺動(dòng)程度測(cè)量其加速度。

在模擬火星環(huán)境的測(cè)試中，當(dāng)溫度降到零下100攝氏度時(shí)，加速度計(jì)依舊可以提供測(cè)量數(shù)據(jù)，這一標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)超其正常的工作溫度。

中國(guó)航天科工三院33 所技術(shù)人員檢查加速度計(jì)組件的加工質(zhì)量。

中國(guó)航天科工三院33 所技術(shù)人員在潔凈間裝配加速度計(jì)。

制作好的擺片，要在其上下兩面安裝經(jīng)過(guò)精密繞制的線圈，共有6層200多圈的銅線環(huán)繞在金屬環(huán)上。“加速度計(jì)是高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這也就意味著線圈的繞制必須近乎完美，不能亂，不能斜。上下兩個(gè)線圈重量之差不能超過(guò)0.3毫克，相當(dāng)于一根3厘米長(zhǎng)的頭發(fā)絲的重量。”姜福灝說(shuō)。

零下130℃～1000℃，自主研發(fā)材料經(jīng)歷“冰火兩重天”考驗(yàn)

因探測(cè)環(huán)境差異巨大，天問(wèn)一號(hào)需要接受“冰火兩重天”的溫度考驗(yàn)。據(jù)介紹，在火星著陸階段，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量可致周圍溫度超過(guò)1000攝氏度;在火星巡視階段，火星車的工作環(huán)境溫度僅僅只有零下130攝氏度。

據(jù)《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者了解，祝融火星車上采用了新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠。除了應(yīng)對(duì)極熱極寒的考驗(yàn)，納米氣凝膠的超輕特性還極大程度減輕了火星車的重量負(fù)擔(dān)。

據(jù)中國(guó)航天科工三院306所副所長(zhǎng)張昊對(duì)《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》介紹，納米氣凝膠是由納米尺度固體骨架構(gòu)成的三維立體網(wǎng)絡(luò)，比空氣還輕，是目前世界上最輕的固體。此外，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為靜止空氣的一半，也是導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體。

事實(shí)上，探火任務(wù)并不是納米氣凝膠的“首戰(zhàn)”。2005年，306所自主投入該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，成為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展氣凝膠材料研究的單位之一。

雖然有足夠的經(jīng)驗(yàn)積累，但天問(wèn)一號(hào)執(zhí)行任務(wù)時(shí)所面對(duì)的太空環(huán)境，還是給306所氣凝膠團(tuán)隊(duì)出了難題。

“火星著陸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度超過(guò)1000℃，這超出了當(dāng)時(shí)世界上氣凝膠材料的耐溫極限。”張昊說(shuō)。為突破技術(shù)難關(guān)，團(tuán)隊(duì)對(duì)天問(wèn)一號(hào)開(kāi)發(fā)出了兩種氣凝膠材料，先后進(jìn)行了物理特性、力學(xué)性能、隔熱性能和空間環(huán)境耐候性能等四大類總共98項(xiàng)的試驗(yàn)測(cè)試。

據(jù)張昊介紹，此次采用的氣凝膠材料經(jīng)過(guò)技術(shù)升級(jí)，具有超強(qiáng)的隔熱性能。厚度約10毫米的隔熱組件可在整個(gè)著陸過(guò)程中，將發(fā)動(dòng)機(jī)周邊上千度的高溫阻隔到可接受的范圍，就像消防員身上穿的防火服一樣。現(xiàn)場(chǎng)演示中，工作人員將一朵鮮花放在薄薄的氣凝膠板上，用1200攝氏度的火焰灼燒氣凝膠板底部，鮮花完好無(wú)缺。

通過(guò)在火星車表面鋪設(shè)大面積的氣凝膠板，則像給登山運(yùn)動(dòng)員穿上防寒服，阻隔了環(huán)境的超低溫。“這種氣凝膠的密度極低，達(dá)到15毫克每立方厘米，即在同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。”張昊如是告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者。

據(jù)了解，306所研制的氣凝膠產(chǎn)品已經(jīng)在二十幾型航天裝備上獲得了應(yīng)用，研究成果先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)防技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和中國(guó)專利金獎(jiǎng)等。氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸拓展開(kāi)來(lái)。例如作為長(zhǎng)征五號(hào)系列火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱材料;被制成真空隔熱板用在“天舟一號(hào)”“天舟二號(hào)”貨運(yùn)飛船的低溫鎖柜中。

責(zé)編：張燕zhangyan@ceweekly.cn