当前位置:首页> 头条新闻>

助推中国探月新征程!嫦娥五号两大核心装置“510所”造!

2020-11-24 10:37:37        来源:掌上兰州.兰州晨报

探月,中国人的千年梦想。

嫦娥一号到嫦娥四号任务的成功实施,标志着我国已圆满完成探月工程“绕、落、回”三步走战略的前两步。

嫦娥四姐妹任务完美达成,嫦娥五妹接过接力棒。孤寂的月球,再次等来了中国的嫦娥。

11月24日凌晨,嫦娥五号奔月,顺利着陆后将实现月面自动采样并返回,这是中国人第一次靠实力取回月球物质,中国航天将迎来历史性时刻。届时,中国探月工程三步走战略将圆满完成!

从载人航天、北斗导航、探月工程……国家部署在中国几何版图最西端的航天院所——中国航天科技集团有限公司五院510所,是我国第一批直接从事空间飞行器的研制单位,近60年来一直在航天主战场从事航天技术研究和航天产品研制。

此次承担我国首次地外天体采样返回任务的嫦娥五号有510所独立设计研制的包括两大核心装置、两个重要科学载荷在内的27台(套)产品,以及高透明导电聚酰亚胺镀铝二次表面镜60平方米,活动件润滑机构1920件。其中,“月球样品密封封装子系统”和返回地球之后的“月球样品解封分装操作台”两大核心装置,直接决定嫦娥五号探测任务的成败。

binary_middle (5).jpg

                                                                      510所嫦娥五号研制团队部分研制人员。

月球样品密封封装子系统:

确保月球样品安全封装返回

如何将38万公里之外的月球土壤和岩石样品在无人条件下进行打包,并保证样品在返回地球的过程中不受任何污染,这就需要一个专门能够自动承接、封装月球样品并具有密封功能的特殊装置——月球样品密封封装子系统。

binary_middle (8).jpg

                                                                        月球样品密封封装子系统(公开)

作为嫦娥五号探测器的核心装置之一,月球样品密封封装子系统主要承接采集到的月壤和月岩并对样品进行自动封装,保证月球样品在返回地面的过程中不受污染,维持样品的原始状态,充分保留其科研价值。

目前,国外只有美国和前苏联实现了月球样品的采样返回,美国是载人条件下进行的,前苏联是在无人情况下实现的,其分装是在返回舱内完成的。而我国这次月球样品采集和封装完全是在无人条件下在月表通过设备自主完成的,难度更大。

月球样品密封封装子系统主要由主体框架、密封容器组件、盖体组件和开合机构组件组成,镂空的主体框架上分布着用于转移的棘齿和导向条,装置采用了钛合金和铝合金来保证结构强度和刚度,同时最大限度地减轻了重量。

月球样品密封封装子系统安装在嫦娥五号探测器的最顶端,需要经历运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交回对接、环月等待、月地转移、再入回收全任务流程,最终将采集到的月球样品送到科研人员手上。

在月面工作段,月球样品密封封装子系统运行预先设定好的指令,内置电机驱动组件工作,首先解除盖体的锁定,之后盖体竖直抬升,紧接着盖体转动一定角度,将装置的容器口完全敞开,方便钻取及表取的月球样品的承接,待所有样品装入容器后,盖体原路返回,下降至盖体解锁状态下的高度,最后,盖体上的火工锁紧组件工作,将盖体锁紧的同时进行高真空密封。

与月面极高真空的环境相比较,地球表面包裹着大气层,大气环境中不仅有气体成分,还漂浮着各种固体颗粒,如果月球样品接触到大气中的这些物质,就会造成污染,导致月球样品科研价值大打折扣。因此,“包装”月球样品的装置需要具有极高的密封性能。月球样品密封封装子系统通过橡胶密封和软金属刀口密封的冗余设计,保证密封漏率,在包装了月球样品后,需要经历返回器再入大气层的冲击和振动、内外压差的变化以及着陆冲击等严酷的力学环境,过程中仍能保持极佳的密封效果。

月球样品解封分装操作台:

满足地外天体样品密封容器解封处理和保存条件

月球样品密封封装装置返回地面后,如何将密封得严严实实的月球样品从装置中取出?510所研制的月球样品解封分装操作台可以胜任此项工作。

在高纯氮气环境下对月球样品进行收集、登记、描述等处理,最大限度地保证月球样品尽可能少受地球外部环境的影响,避免月球样品氧化和污染,满足深空探测任务中地外天体样品密封容器解封、处理和保存等需求。

月球样品解封分装操作台是探月工程三期月球样品地面应用系统的核心装置,能够在真空环境下对返回地面后的月球采样封装装置进行解封及收集月球样品释放的稀有气体,并在高纯氮气环境下对月球样品进行收集、登记、描述等处理,最大限度保证月球样品尽可能少受地球外部环境的影响,避免月球样品氧化和污染,满足深空探测任务中地外天体样品密封容器解封、处理和保存等需求。

该产品创新性地提出了分舱段进行月球样品解封及处理的方案,解决了样品密封装置解封时内外压差过大及真空环境下无法操作处理样品的难题,实现了真空环境下月球样品密封封装装置的解封及高纯氮气环境下月球样品的操作和处理。

同时,针对微量月球样品释放稀有气体难以采集的技术难点,510所研制的气体采集装置,实现了月球样品释放稀有气体采集及成分分析。设计的自动解封机构,通过一套机构实现旋转解除样品密封、直线提升打通月球样品初级封装容器等多个动作,具有自动定位、自动解封的创新功能。

科学载荷——月尘带电测量仪:

人类首次测量月球表面带电尘埃

月球上存在的尘土叫做月尘,这些尘土可能在微流星和人类活动的情况下被激起而四散飞扬。510所为嫦娥三号研制的月尘测量仪采用了高灵敏和大量程传感器组合式的探测方法,可以测量着陆过程和自然状态下月尘累积质量。而在嫦娥五号项目中,为了进一步了解月尘的特性,设计研制了测量悬浮月尘带电的科学载荷装置。

binary_middle (10).jpg

                                                                    月尘带电测量仪研制现场(公开)

月尘是月面环境中最重要的空间存在与环境因素,它的悬浮和输运会对航天器探测载荷以及宇航员健康造成直接影响与危害,密切关系着航天探测科学目标的实现乃至整个探测任务的成败,而月尘带电被认为是使其悬浮和输运的重要因素。

binary_middle (9).jpg

                                                                        月尘带电测量仪(公开)

月尘带电测量仪由两套相同的测量探头组成,月尘带电测量探头是嫦娥五号着陆器工程参数测量分系统的一部分,它能够对月球表面由自然环境影响引起的月尘带电特性进行测量。每套探头又分别由一组阻滞栅网和一台微质量天平组成。阻滞栅网像扇门,在一定时候,只有满足一定条件的“月尘”才可以通过,这个条件就和月尘的带电量有关。栅网下方是一个由粘性薄膜和石英晶片组成的微质量天平,它相当于月尘颗粒的“体重秤”,这是目前最灵敏的“秤”,甚至可以测到纳克级的质量。当通过栅网的月尘颗粒被粘性膜“粘住”后,就能称量这些颗粒的质量。于是,通过设置不同的“门槛”,不同带电量的月尘就被测量出来了。月尘带电测量探头获取的月尘相关特性数据可为后续载人登月的月尘防护和清除提供设计依据,具有重要的工程应用价值。

月尘带电测量仪安装在嫦娥五号着陆器的顶部,这是自美国阿波罗计划以来,人类第一次对月球表面的带电尘埃进行直接测量。

科学载荷——着陆器无损探伤测量仪:

检测着陆器损伤状况的专门仪器

嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪,是在着陆器着陆时用来检测与力学支撑结构连接处受冲击产生的损伤状况的仪器设备。该设备可以为地面环境试验提供在轨数据,并为后续月球登陆提供设计优化支持。

binary_middle (7).jpg

                                                                    着陆器无损探伤测量仪(公开)

在航天这种对产品可靠性要求极高的特殊领域,无损检测与评价技术水平在一定程度上反映了国家航天器的技术发展水平。目前国际上公认的适合空间应用的无损检测方法主要包括电涡流无损检测方法、电磁超声无损检测方法和目视法三种,其中电涡流无损检测技术发展最为成熟。

嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪采用的是脉冲电涡流无损检测技术,根据任务目标,探头的工作分为在轨测量和地面数据处理应用两个阶段。在轨测量主要是着陆过程中着陆器受着陆冲击损伤状况的测量;地面数据处理主要是对在轨测量数据进行反演,利用地面标定实验结果对测量数据进行定量或定性分析,获得着陆器支撑结构连接部位受冲击损伤状况,为地面环模试验提供验证,并为后续深空探测着陆设计改进提供技术支持。

此外,该测量仪还采用了先进的TMR无损检测技术,这项技术是国际无损检测技术的重要发展方向。由于我国对高性能TMR传感器的研究起步晚,尤其是空间应用尚未开展,为此,510所研制了基于TMR的弱磁场传感器,满足无损检测之用。其中,采用TMR进行无损检测中线圈与TMR的集成技术、TMR无损检测仪的标定技术等在国内均属首次,因此,研制具有空间环境适应能力的高性能TMR传感器技术是无损检测技术中的关键技术之一,也是本项目的创新点。

文丨掌上兰州·兰州晨报首席记者武永明 通讯员 潘颖(图片由510所提供)


  • 相关新闻