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多国纷登月球火星 航天铝材喜迎新需(下)

中国有色金属报2021/04/13 09:39:00

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嫦娥五号月球钻土杆金属所造

2020年12月2日,嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装工作,其中月球钻取采样机构中的关键部件——钻杆及其结构件是由中国科学院金属研究所马宗义团队研制的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制成,其轻质、高刚度、高强度和耐磨损等特点,满足了嫦娥五号在月球表面苛刻工况下的采样需求。

我国的探月工程分为“绕”“落”“回”三步走战略。嫦娥五号探测器是负责嫦娥三期工程“采样返回”任务的中国首颗月球采样返回探测器。主要任务是采集月球样品并返回地球,面实现月球探测工程“三步走”战略目标。采样机构中搭载的2.5米长深孔钻取式采样器负责钻入月球土壤中取样,并送到上升器中。复杂的月球土壤构成、剧烈的环境温度变化、苛刻的轻量化要求,对钻采机构结构件的质量、强度和耐磨性提出了严苛要求,其中,钻杆要钻入月球土壤深处,对材料的要求更加苛刻,常规的金属材料无法满足制备要求。

铝基复合材料具有低密度、高强度、高模量、耐磨损等优异特性,是替代钢、钛、铝等传统金属制备钻杆的理想材料。然而,传统铝基复合材料强韧性匹配差,其稳定性和可靠性难以满足钻采机构苛刻的工作环境和“万无一失”的质量要求。马宗义团队通过研发铝基复合材料大尺寸坯锭及多道次变形加工工艺,研制出高强韧铝基复合材料挤压棒材、锻件和厚壁管材,实现了材料性能和稳定性的大幅提升。尤其针对钻杆用材开展了材料高取向微观结构设计,在保证耐磨性的同时,实现了材料高强塑性匹配,先后突破了复合材料内孔高精度、高直线度加工、热处理强化与矫直等关键技术,研制的钻杆耐磨性和强度可与钢材媲美,实现减重65%,解决了月球土壤钻杆“无材可用、有材难加工”的困境,为嫦娥五号钻采任务的顺利完成提供了重要支撑。

中国地质大学(武汉)行星科学家肖龙说,嫦娥五号的着陆器配备一个铲斗和一个钻头,它将采集大约两公斤的土壤和小块岩石,Z深将钻到距月球表面2米的地方。

嫦娥五号必须动作迅速。由于没有内部加热机制,无法抵御温度低至零下170℃的月球夜晚。整个探月任务必须在月球上的一个白天完成,大约相当于地球上的14天。着陆器采集到样本后,一枚小型火箭会把样本带回轨道器。一旦进入轨道,月球物质将被装进返回器送回地球。探测器上一次将月球样本送回地球是在1976年,苏联的“月球”划于当年结束。2公斤重的新样本或许听起来实在不多,但嫦娥五号送回的样本来自一个从未被探测过的区域。

由上升器、着陆器、返回器、轨道器4部分组成的嫦娥五号重8200公斤。嫦娥五号的着陆器采集约2公斤的月球物质,其中一些要从2米深的地下钻取。随后,样本将被转移到上升器,上升器再被发射到月球轨道,与嫦娥五号的另外两个组成部分——轨道器和返回器——会合。返回器将把月球上的土壤和岩石带回地球。

嫦娥五号的运行寿命很短,但此次探月任务意义深远。毕竟,科学家们还在研究1969年至1972年间美国国家航空航天局(NASA)阿波罗探月任务带回的382公斤月球物质,阿波罗任务带回的一些物质来自风暴洋,该处是阿波罗12号在1969年底探索过的一座火山作用形成的平原。但是,嫦娥五号着陆地吕姆克山脉是12亿年前才形成的,而阿波罗计划宇航员采集到的所有样本都有30亿年以上的历史。

因此,非营利机构行星学会在描述此次任务时称,嫦娥五号“将帮助科学家弄清月球历史晚期发生的事情以及地球和太阳系的演变过程”。

2020年12月2日22时,经过约19小时的月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

自动采样是嫦娥五号任务的核心关键环节之一,探测器经受住超过100℃的月面高温考验,克服了测控、光照、电源等方面的条件约束,依托全新研制的地外天体样品采集机构,通过机械臂表取和钻具钻取两种方式分别采集月球样品,实现了多点、多样化自动采样。

嫦娥五号探测器配置了降落相机、全景相机、月球土壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等多种有效载荷,能够在月表形貌及矿物组分探测与研究、月球浅层结构探测等科学探测任务中发挥重要作用。探测器钻取采样前,月球土壤结构探测仪对采样区地下月壤结构进行了分析判断,为采样提供了数据参考。

结语

2003年,中国首次将一名宇航员送入环绕地球的轨道,2020年又将2公斤月球土壤带回了地球;2019年,中国还是世界上首 个实现月球背面软着陆的国家,并在建设一个永 久性空间站与开展载人登月任务。目前,“天问一号”火星探测器于2021年2月22日完成了第三次制动,成功地进入火星停泊轨道,将运行约3个月,开展科学探测,可在5~6月之间着陆火星。此外,中国还可能在月球上建设一个永 久基地,这些都表明,当前的中国已成为航天大国与强国之一。

总之,目前我国已经实现航天铝材自主生产,航天器铝制零部件自主设计制造,而在这其中有近10家有色行业企业参与了相关工作,并作出了突出贡献。另外,笔者建议,为推动我国航天铝材产业的发展,未来航天铝材的基本要素应该具有更强的、极为完整的可追溯性,希望有关方面对此加以关注。

作者:匿名20509次浏览

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