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火星你好!“祝融号”成功登陆火星!
发布时间:2021-05-17   浏览次数:151

2021年5月15日,中国首辆火星车“祝融号”在环火轨道遨游数月后,终于从“天问一号”飞船中分离并下降,成功踏上了这颗火红色星球的土地上!

看似并不复杂的动作,实则危机四伏。

“祝融号”着陆在极短的时间内穿越火星大气层,经历了“黑色9分钟”。这9分钟里,“祝融号”高速进入大气层,并与大气层产生摩擦,表面温度急剧升高;在高热状态下,“祝融号”与大气层发生了复杂的物理化学反应。

在接近火星地面时,“祝融号”从4.8km/s的降落速度,在5min内减为460m/s,并在降落伞打开后减为不到100m/s,接着在大推力发动机的作用下在100m左右的高度时降为零,再靠四条着陆腿缓冲掉最后冲击力,最终让搭载6台科学仪器的火星车平稳落地。

由于从火星到地球的信号传输一个来回需要约20min,无法进行人工指令的干预,而着陆的机会短暂且唯一,着陆过程中也没法暂停任务。面对一系列复杂情况,“祝融号”依靠高度的智能化预判突发性事件,顺利完成了登陆任务。

着陆后的“祝融号”火星车将开展为期90个火星日(地球大约三个月)的科学探测任务,任务包括绘制火星形态和地质结构图、调查火星表面的土壤特征和水冰分布、分析火星表面的物质组成、测量电离层和火星地表气候及环境特征、探索火星的物理场(电磁场、引力场)和内部结构等。

“祝融号”火星车重约240kg,是“玉兔二号”的2倍,长3.3m、宽3.2m、高1.85m。

火星上空气稀薄又寒冷、昼夜温差大,平均温度只有零下63℃,如同地球上荒芜的戈壁滩环境,表面坑坑洼洼,还经常会发生沙尘暴等极端天气,条件十分恶劣。摆在“祝融号”火星车面前挑战,十分艰巨。

任务能否成功,取决于“祝融号”火星车的结构和采用的材料,那么哪些材料在为“祝融号”保驾护航呢?

“祝融号”用了哪些材料?

在“黑色9分钟”内,流星一般高速下降的着陆器,与火星大气层高速摩擦,着陆器表面温度急剧升高,如果不进行有效防护,那么着陆器在大气层就面临被烧毁的危险。

那么在防热方面,“祝融号”用到了哪些材料?

连续纤维增强中密度防热材料:应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构支撑部位。

作用:该材料相比较低密度材料其强度更高,密度约为0.9g/cm3,兼顾了耐烧蚀和承载能力。

研究团队:中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。

连续纤维增强中密度防热材料:应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构支撑部位。

作用:该材料相比较低密度材料其强度更高,密度约为0.9g/cm3,兼顾了耐烧蚀和承载能力。

研究团队:中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。

超轻质的烧蚀防热涂层材料:应用在气动加热较为缓和的背罩部位。

作用:该涂层材料密度仅为0.28g/cm3左右,热导率低至约0.06W/m﹒K,其基本热物理性能达到国际先进水平,不仅隔热性能优良,对着陆器的减重也起到了重要作用。

研究团队:中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。

“祝融号”承载了多重任务,携带的设备较多,还需要经受着陆时“黑色9分钟”考验。因此对轻量化要求十分高。

此外,火星环境复杂、表面凹坑密布,为着陆增加了更多的困难。为了保障“祝融号”在火星表面成功实现软着陆,采用了轻量化及特种吸能材料。

特种高吸能合金:应用于着陆机构。

作用:该合金具有突出的强韧性、轻质性和吸能性,吸收探测器着陆时的冲击能。

研究团队:中国科学院合肥物质科学研究院固物理研究体所。

铝硅封装外壳:应用于探测器着陆系统的TR组件等核心关键元器件封装解决方案。

作用:保障探测器着陆系统电路的安全,为器件内部电路穿上了安全可靠的“保护衣”,保障探测器在火星安全平稳着陆。

研究团队:合肥圣达电子科技实业有限公司。

高性能碳化硅基增强铝基复合材料:用于探测器高精密仪器。

作用:新型的碳化硅基增强铝基复合材料构件重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定,满足了“祝融号”长时间运行时对某关键机构的材料需求。

研究团队:上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室团队。

新型镁锂合金:用于探测器结构。

作用:作为目前世界上最轻的金属结构材料,可实现探测器轻量化。

研究团队:西安交通大学团队。

高精尖铝材(蒙皮板、自由锻件、超大规格板、锻环、铝锂合金):应用于探测器。

作用:保障“祝融号”火星探测器长期的太空行驶及完成极其复杂的着陆过程。

研究团队:西南铝业(集团)有限责任公司。

新型铝基碳化硅复合材料:用于火星车结构、机构、仪器等几十种零部件。

作用:火星车要在工况复杂的火星表面长距离行走,这对火星车材料的轻量化、高强韧性、高尺寸稳定性、耐冲击性提出了极高的要求,传统铝、钛合金难以兼顾综合要求,新型铝基碳化硅复合材料则可胜任。

研究团队:中国科学院金属研究所团队。

由于火星探测器距离太阳较远,它所受到的太阳辐射强度大大减弱,温度较低。火星上温度很低,赤道上的平均温度只有-23°C,针对复杂的温度工作环境,“祝融号”有什么样的防护手段?

有机热控涂层:用于航天器外表面。

作用:“天问一号”探测器在进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常高,而背向太阳的表面的温度则非常低,导致航天器“冰火两重天”。该材料得以保证“天问一号”探测器能够在极端复杂的温度环境下保持正常工作。

研究团队:中国科学院上海有机化学研究所有机热控涂层研制组。

纳米气凝胶:用于火星车

作用:很轻,隔热性能好,在探测器“落”与“巡”两项任务中发挥作用。

研究团队:中国航天科工三院306所。

隔热降噪材料三胺泡沫:用于火星车

作用:火星极端低温环境下,还时常伴有风暴。该产品隔热降噪效果好,衡量防火性能的氧指数高达34,一平方米的重量不足70g,各项性能可靠,保障火星车适应恶劣环境。

研发团队:绿宇新材料科技股份有限公司。

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来源:新材料在线
 关键词:复合材料 | 航空航天
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