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多國(guó)紛登月球火星 航天鋁材喜迎新需(下)

2021年04月12日 9:20 4936次瀏覽 來(lái)源:   分類: 鋁資訊   作者:

嫦娥五號(hào)月球鉆土桿金屬所造
2020年12月2日,嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝工作,其中月球鉆取采樣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件——鉆桿及其結(jié)構(gòu)件是由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馬宗義團(tuán)隊(duì)研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成,其輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度和耐磨損等特點(diǎn),滿足了嫦娥五號(hào)在月球表面苛刻工況下的采樣需求。
我國(guó)的探月工程分為“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略。嫦娥五號(hào)探測(cè)器是負(fù)責(zé)嫦娥三期工程“采樣返回”任務(wù)的中國(guó)首顆月球采樣返回探測(cè)器。主要任務(wù)是采集月球樣品并返回地球,全面實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。采樣機(jī)構(gòu)中搭載的2.5米長(zhǎng)深孔鉆取式采樣器負(fù)責(zé)鉆入月球土壤中取樣,并送到上升器中。復(fù)雜的月球土壤構(gòu)成、劇烈的環(huán)境溫度變化、苛刻的輕量化要求,對(duì)鉆采機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、強(qiáng)度和耐磨性提出了嚴(yán)苛要求,其中,鉆桿要鉆入月球土壤深處,對(duì)材料的要求更加苛刻,常規(guī)的金屬材料無(wú)法滿足制備要求。
鋁基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐磨損等優(yōu)異特性,是替代鋼、鈦、鋁等傳統(tǒng)金屬制備鉆桿的理想材料。然而,傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)韌性匹配差,其穩(wěn)定性和可靠性難以滿足鉆采機(jī)構(gòu)苛刻的工作環(huán)境和“萬(wàn)無(wú)一失”的質(zhì)量要求。馬宗義團(tuán)隊(duì)通過(guò)研發(fā)鋁基復(fù)合材料大尺寸坯錠及多道次變形加工工藝,研制出高強(qiáng)韌鋁基復(fù)合材料擠壓棒材、鍛件和厚壁管材,實(shí)現(xiàn)了材料性能和穩(wěn)定性的大幅提升。尤其針對(duì)鉆桿用材開(kāi)展了材料高取向微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在保證耐磨性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了材料高強(qiáng)塑性匹配,先后突破了復(fù)合材料內(nèi)孔高精度、高直線度加工、熱處理強(qiáng)化與矯直等關(guān)鍵技術(shù),研制的鉆桿耐磨性和強(qiáng)度可與鋼材媲美,實(shí)現(xiàn)減重65%,解決了月球土壤鉆桿“無(wú)材可用、有材難加工”的困境,為嫦娥五號(hào)鉆采任務(wù)的順利完成提供了重要支撐。
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)行星科學(xué)家肖龍說(shuō),嫦娥五號(hào)的著陸器配備一個(gè)鏟斗和一個(gè)鉆頭,它將采集大約兩公斤的土壤和小塊巖石,最深將鉆到距月球表面2米的地方。
嫦娥五號(hào)必須動(dòng)作迅速。由于沒(méi)有內(nèi)部加熱機(jī)制,無(wú)法抵御溫度低至零下170℃的月球夜晚。整個(gè)探月任務(wù)必須在月球上的一個(gè)白天完成,大約相當(dāng)于地球上的14天。著陸器采集到樣本后,一枚小型火箭會(huì)把樣本帶回軌道器。一旦進(jìn)入軌道,月球物質(zhì)將被裝進(jìn)返回器送回地球。探測(cè)器上一次將月球樣本送回地球是在1976年,蘇聯(lián)的“月球”計(jì)劃于當(dāng)年結(jié)束。2公斤重的新樣本或許聽(tīng)起來(lái)實(shí)在不多,但嫦娥五號(hào)送回的樣本來(lái)自一個(gè)從未被探測(cè)過(guò)的區(qū)域。
由上升器、著陸器、返回器、軌道器4部分組成的嫦娥五號(hào)重8200公斤。嫦娥五號(hào)的著陸器采集約2公斤的月球物質(zhì),其中一些要從2米深的地下鉆取。隨后,樣本將被轉(zhuǎn)移到上升器,上升器再被發(fā)射到月球軌道,與嫦娥五號(hào)的另外兩個(gè)組成部分——軌道器和返回器——會(huì)合。返回器將把月球上的土壤和巖石帶回地球。
嫦娥五號(hào)的運(yùn)行壽命很短,但此次探月任務(wù)意義深遠(yuǎn)。畢竟,科學(xué)家們還在研究1969年至1972年間美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)阿波羅探月任務(wù)帶回的382公斤月球物質(zhì),阿波羅任務(wù)帶回的一些物質(zhì)來(lái)自風(fēng)暴洋,該處是阿波羅12號(hào)在1969年底探索過(guò)的一座火山作用形成的平原。但是,嫦娥五號(hào)著陸地呂姆克山脈是12億年前才形成的,而阿波羅計(jì)劃宇航員采集到的所有樣本都有30億年以上的歷史。
因此,非營(yíng)利機(jī)構(gòu)行星學(xué)會(huì)在描述此次任務(wù)時(shí)稱,嫦娥五號(hào)“將幫助科學(xué)家弄清月球歷史晚期發(fā)生的事情以及地球和太陽(yáng)系的演變過(guò)程”。
2020年12月2日22時(shí),經(jīng)過(guò)約19小時(shí)的月面工作,探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器順利完成月球表面自動(dòng)采樣,并已按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。
自動(dòng)采樣是嫦娥五號(hào)任務(wù)的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,探測(cè)器經(jīng)受住超過(guò)100℃的月面高溫考驗(yàn),克服了測(cè)控、光照、電源等方面的條件約束,依托全新研制的地外天體樣品采集機(jī)構(gòu),通過(guò)機(jī)械臂表取和鉆具鉆取兩種方式分別采集月球樣品,實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)、多樣化自動(dòng)采樣。
嫦娥五號(hào)探測(cè)器配置了降落相機(jī)、全景相機(jī)、月球土壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀、月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷,能夠在月表形貌及礦物組分探測(cè)與研究、月球淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)等科學(xué)探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮重要作用。探測(cè)器鉆取采樣前,月球土壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀對(duì)采樣區(qū)地下月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析判斷,為采樣提供了數(shù)據(jù)參考。
結(jié)語(yǔ)
2003年,中國(guó)首次將一名宇航員送入環(huán)繞地球的軌道,2020年又將2公斤月球土壤帶回了地球;2019年,中國(guó)還是世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸的國(guó)家,并在建設(shè)一個(gè)永久性空間站與開(kāi)展載人登月任務(wù)。目前,“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器于2021年2月22日完成了第三次制動(dòng),成功地進(jìn)入火星停泊軌道,將運(yùn)行約3個(gè)月,開(kāi)展科學(xué)探測(cè),可在5~6月之間著陸火星。此外,中國(guó)還可能在月球上建設(shè)一個(gè)永久基地,這些都表明,當(dāng)前的中國(guó)已成為航天大國(guó)與強(qiáng)國(guó)之一。
總之,目前我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)航天鋁材自主生產(chǎn),航天器鋁制零部件自主設(shè)計(jì)制造,而在這其中有近10家有色行業(yè)企業(yè)參與了相關(guān)工作,并作出了突出貢獻(xiàn)。另外,筆者建議,為推動(dòng)我國(guó)航天鋁材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,未來(lái)航天鋁材的基本要素應(yīng)該具有更強(qiáng)的、極為完整的可追溯性,希望有關(guān)方面對(duì)此加以關(guān)注。

責(zé)任編輯:于璐

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