嫦娥四號上的材料都有哪些黑科技?
中科院上海硅酸鹽研究所
中科院上海硅酸鹽研究所承擔了熱控涂層、難熔合金高溫抗氧化涂層、高摩擦抗冷焊涂層、高溫隔熱屏、柔性薄膜熱控涂層及低溫多層隔熱組件等關鍵材料的研制。
1 熱控涂層
中科院上海硅酸鹽研究所研制了巡視器移動機構、電機機構、機械臂機構、全景相機機構鈦合金、鎂合金微弧氧化熱控涂層,著陸器發動機隔熱屏、防護筒用不銹鋼灰色化學轉換熱控涂層、不銹鋼高吸收化學轉換熱控涂層,著陸器月夜溫度采集器低輻射金熱控涂層、著陸器坡道及護欄機構鋁合金光亮陽極氧化熱控涂層,激光點陣器、鋰離子電池等有效載荷黑色陽極氧化熱控涂層,巡視器表面柔性薄膜熱控涂層,涂料型低比值熱控涂層等十余種無機熱控涂層。
其中一些涂層是為嫦娥特制的、而且首次在航天器上采用,具備了溫控性能好、耐空間環境輻照性強、涂層均勻性優等特點,保證了這些機構中的部件、電機正常的工作溫度水平,為著陸器的安全著陸、巡視器在月面巡視勘察、機械臂的正常運轉發揮了重要的作用。
2 難熔合金高溫抗氧化涂層
由于月球距離地球38萬公里,嫦娥衛星飛行距離較一般衛星飛行距離大大增加,并且需要經過多次變軌才能實現“落月”,姿控發動機壽命要求大大延長,對其難熔合金高溫抗氧化涂層提出了更加苛刻的要求,必須承受更高的溫度,更大的沖刷速度和更苛刻的富氧環境,研制難度理想。
上海硅酸鹽所研制的難熔合金高溫抗氧化涂層順利通過了長壽命地面臺架試驗的考核后,成功應用于嫦娥一號至嫦娥四號,并將繼續為后續的任務型號提供技術保障。
3 高摩擦抗冷焊涂層
高摩擦抗冷焊涂層應用于太陽電池陣接觸支點上,不僅是確保巡視器太陽電池陣在經歷發射、奔月、著陸、兩器分離等加速和減速環節能實現太陽電池陣可靠、有效閉合,避免意外的散逸和碰撞,確保了太陽電池陣的完整性;其抗冷焊功能更是確保消除太陽電池陣經歷長時間壓緊收攏狀態可能引發真空冷焊等狀況,保證了太陽帆板的順利展開。同時,高摩擦抗冷焊涂層支點也為太陽電池陣的頻繁啟閉和可靠接觸發揮了重要作用。
4 高溫隔熱屏
變推力發動機為實現著陸器月球表面軟著陸所必須的關鍵部件。由于發動機工作期間燃燒室和噴管的溫度很高,上海硅酸鹽所研制的高溫隔熱屏像“裙子”一樣將高溫環境包圍了起來,在發動機與周圍的電子元器件之間形成了一道屏障,有效地減小了發動機工作對探測器本體溫度的影響。
嫦娥四號著落器7500N發動機高溫多層隔熱材料
5 柔性薄膜熱控涂層及低溫多層隔熱組件
嫦娥四號受月球表面的晝夜溫度變化影響,溫度最低時可達零下200℃,最高可超過100℃。而探頭等單機運行溫度一般為-40~+50℃左右,一旦超出正常的溫度范圍可能會造成單機的功能失效,甚至造成單機的損壞。上海硅酸鹽所研制的低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡為巡視器的正常工作提供溫控保障,低溫多層隔熱組件能夠保證單機的溫度保持在正常運行溫度范圍內,可以雙向隔熱,外部高溫時阻止外部熱量向內部傳遞,外部寒冷時阻止內部熱量向外部泄露。
中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所
高效吸能合金
由于“嫦娥四號”探測器著陸時,面臨著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,在極端條件下部分拉桿將承受更為強烈的沖擊拉伸作用。因此,拉桿必須高效、可靠、穩定地發揮吸能作用。同時,由于著陸機構的整體重量受到嚴格約束,拉桿須在有限的體積、尺寸、重量和塑性變形條件下吸收盡可能高的能量。所以,拉桿材料必須具備極高的拉伸塑性、適中的抗拉強度和穩定的力學響應行為。
該特殊金屬材料叫高效吸能合金,在力學實驗機上,普通金屬桿一拉就會折斷,而該緩沖拉桿可以像橡皮泥一樣被均勻拉長,最大拉伸長度可達自身長度的80%到110%。
緩沖拉桿的復制品
高效吸能合金(Fe-Mn-Al-Si系)具有極高的塑性和適中的強度,因而具有很高的吸能本領,室溫下單位體積吸能可達0.5 J/mm3。其優異的力學性能歸因于孿生誘發的塑性效應(Twinninginduced plasticity,TWIP)。該效應與層錯能(stacking fault energy,SFE)密切相關。當SFE在18-45 mJ/m2范圍內時,孿生成為材料變形的主要機制。
中科院上海有機化學研究所
有機熱控涂層
航天器進入軌道后,處于地球大氣層以外的超高真空空間環境,朝向太陽的表面溫度非常熱,而背向太陽的表面則非常冷。這就需要在航天器表面使用不同的太陽吸收率和熱輻射率的涂層來調節其熱平衡溫度,這就是衛星的熱控制。
由于有機熱控涂層施工工藝簡單,可用于金屬或非金屬底材,具有良好的附著性能,有的品種可室溫固化,因此在航天器熱控制領域得到了廣泛的應用。在嫦娥四號上,“黑白套裝”當仁不讓地占據一席之地?!鞍咨庖隆贝┰阪隙鹚奶柾獗恚錈嵛章实?,而反射率高,減少太陽光照射的影響;“黑色內衣”穿在嫦娥四號內壁,其熱吸收率高、反射率也高,確保內部維持在一個合適的溫度。
蘭州空間技術物理研究所
有機高分子薄膜材料
常見的國旗材料一般有以下幾種:化學纖維織物、絲綢、棉布等紡織品。當然也有以紙張、塑料等材料制作國旗的情況。然而探測器國旗則是由一種叫聚酰亞胺的有機高分子薄膜材料制作而成的。這種材料在-200℃到+200℃的溫度環境下都可應用。所以說探測器國旗與地面上常見的國旗是完全不同的。探測器國旗能夠抵御惡劣的月表環境,不褪色,不變形。
中科院金屬研究所
鎂合金鍛件
金屬研究所研制的100余件鎂合金鍛件應用于“嫦娥四號”著陸器、測月雷達、巡視器等有效載荷器件,保障了“嫦娥四號”月球探測器發射任務的順利完成。
航天六院
著陸器發動機材料與涂層材料
航天六院為嫦娥四號著陸器推進分系統配置了全部動力,包括1臺7500N變推力發動機和28臺小推力的姿控發動機。7500N變推力發動機作為探測器的心臟,此次將擔負近月制動、動力下降、減速調姿、懸停避障、緩慢下降等軟著陸任務,是嫦娥四號能否成功落月的關鍵。與嫦娥三號相比,嫦娥四號7500N變推力發動機此次在高性能和長壽命上實現了多項突破。
7500N變推力發動機從外觀上來看,涂層更美觀,且通過提高涂層材料質量,細化涂層工藝技術,使得發動機上的涂層性能指標較之前提高3倍以上,性能與可靠性得到大幅提升。此外,7500N變推力發動機的性能指標也較以往有所提高,單位質量內推進劑的量所產生的沖量,由原來的308秒提高到了310秒。
上海交通大學
高性能SiC增強鋁基復合材料
上海交通大學材料科學與工程學院復合材料研究所、金屬基復合材料國家重點實驗室張荻教授、歐陽求保教授團隊研制的高性能SiC增強鋁基復合材料為“嫦娥四號”探測器在月球背面軟著陸、“玉兔二號”月球車在月球背面巡視探測等提供材料和部件支撐。
該團隊研制的高性能SiC增強鋁基復合材料應用于“嫦娥四號”探測器中四個關鍵載荷,包括激光測距儀、三維成像儀、紅外光譜儀等星載光學儀器中的鏡筒、光學底板、框架等12種關鍵構件。星載光學儀器的任務要求其必須具有很高的分辨率和穩定的光學性能,這就要求對結構與器件進行優化設計時,所用材料必須具有足夠的尺寸穩定性和良好的剛性等優異的綜合性能。均要求具有很高的分辨率和穩定的光學性能,傳統材料難以滿足它們的性能要求。
團隊研制的SiC顆粒增強鋁基復合材料具備輕質、高剛性、高尺寸穩定的特點,可滿足載荷結構輕量化、不變形、尺寸穩定的需求,解決了星載儀器高分辨率和高穩定性的難題,為“嫦娥四號”的運行和完成各項科學探測任務提供重要支撐。
重慶大學
鋁合金材料
由教育部深空探測聯合研究中心組織,重慶大學牽頭的科普載荷“月面微型生態圈”將作為嫦娥四號的“乘客”之一,于2018年登陸月球表面,進行人類首次月面生物實驗。
“月面微型生態圈”是一個由特殊鋁合金材料制成的圓柱形“罐子”,高18厘米,直徑16厘米,凈容積約0.8升,總重量3公斤。小“罐子”里乾坤大,里面將放置馬鈴薯種子、擬南芥種子、蠶卵、土壤、水、空氣以及照相機和信息傳輸系統等科研設備。
科學家將在這個小空間里創造動植物生長環境,實現生態循環。在真空、微重力、極端溫差的外界條件下,“月面微型生態圈”內將保持1到30攝氏度,以及適當的濕度,并通過光導管引進月球表面自然光線,創造植物生長環境。
南昌凱迅光電有限公司
高效砷化鎵太陽電池外延片
由南昌凱迅光電有限公司生產的高效砷化鎵太陽電池外延片,經上海空間電源研究所鑒定并制作成太陽電池芯片,性能優異,裝備于 “嫦娥四號”登月著落器。
太陽電池的面積通常不足30平方厘米,厚度僅為0.1毫米到0.2毫米,太陽電池上最細的金屬線只有十幾個微米,薄片雖小,制成卻需10道工序、70道工步。
歡迎大家補充~
資料來源:http://www.shjcw.gov.cn/shjs/node9/u1ai119442.html
https://mp.weixin.qq.com/s/GZ-5OYT2K3Z3nj01O2eAZA
http://mini.eastday.com/mobile/181209105109626.html#
https://mp.weixin.qq.com/s/GKEkTDtXWT20xdTmDlPDEw
http://www.ufotmw.com/article/201706/2828.html
來源:材易通