登陸月球背面的背後:上海交大為「玉兔二號」打造「超級風火輪」

2020-11-23 騰訊網

「嫦娥四號」著陸後，巡視器隨即進行分離，「玉兔二號」月球車在月球背面留下了「人類首次行走」足跡，這一切都凝聚了上海交通大學材料技術團隊的心血。

「玉兔二號」月球車輪子外側，由SiC顆粒增強鋁基複合材料製成的棘爪。上海交通大學供圖

2019年1月3日上午10點26分，「嫦娥四號」探測器成功著陸在月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區，並通過「鵲橋」中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，揭開了古老月背的神秘面紗。

此次任務實現了人類探測器首次月背軟著陸，首次月背與地球的中繼通信，開啟了人類月球探測新篇章。

「嫦娥四號」著陸後，巡視器隨即進行分離，「玉兔二號」月球車在月球背面留下了「人類首次行走」足跡，成功開啟在月球背面的巡視探測任務。

這一偉大壯舉背後也有著上海交通大學材料技術的應用與支撐，彰顯了上海交大科學家的智慧。

為「嫦娥四號」構建「金剛不壞之身」

上海交通大學材料科學與工程學院複合材料研究所、金屬基複合材料國家重點實驗室張荻教授、歐陽求保教授團隊研製的高性能SiC增強鋁基複合材料為「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，為中國邁向空間時代貢獻力量。

該研究團隊研製的高性能SiC增強鋁基複合材料應用於「嫦娥四號」探測器中四個關鍵載荷，包括雷射測距儀、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。

在複雜的空天使役條件下，星載光學儀器的任務要求其必須具有很高的解析度和穩定的光學性能，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。

而傳統材料難以滿足這方面的性能要求。

據介紹，研究人員研製的SiC顆粒增強鋁基複合材料具備輕質、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，解決了星載儀器高解析度和高穩定性的難題，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。

為「玉兔二號」打造「超級風火輪」

月球車在人類從未探知的月球背面開展巡視工作，要面臨惡劣複雜的空間環境和複雜未知的地形地貌的考驗。

如「晝夜」超過300℃的溫差導致構件產生熱應力及熱變形，月球車在行走時要承受各種碰撞、擠壓、摩擦、磨損等。

登陸月球背面的過程會非常曲折，任何細小的失誤都會引發一連串的問題，嚴重的甚至能導致登月失敗。

用於主要與月球表面接觸的行走機構棘爪是月球車開展月球移動探測的關鍵和難題之一。

科學家研製的由SiC顆粒增強鋁基複合材料製成的行走棘爪，成功應用於「玉兔二號」月球車。

SiC顆粒增強鋁基複合材料具有重量輕、高剛度、高耐磨、耐衝擊、尺寸穩定等特點，能夠承受月球表面各種苛刻複雜的服役工況條件，為「玉兔二號」月球車在月球背面行走保駕護航。

長期致力於中國航天工程

除上述成果外，長期以來，張荻教授、歐陽求保教授所帶領的研究團隊對鋁基複合材料開展了系統和深入的基礎和應用基礎研究，使上海交通大學材料科學與工程學院複合材料研究所、金屬基複合材料國家重點實驗室成為我國輕質高強鋁基複合材料主要研發和製造基地。

針對制約我國航天用非連續增強金屬基複合材料製備科學中複合調控難、界面匹配難、形變加工難三個難點，研究人員經過辛勤努力，研製成功的SiC增強鋁基複合材料性能達到國際領先水平，已獲得國家發明專利20餘項。

並建立了國內首個航天用鋁基複合材料技術標準，以及國家標準，形成了高性能鋁基複合材料的批量、多品種研製和生產能力，並成功推廣應用，為我國高科技發展和維護國家安全做出了重要貢獻。

據悉，在支撐此次「嫦娥四號」探測器登陸月球背面任務之前，SiC顆粒增強鋁基複合材料已先後多次在探月工程、載人航天工程等航天重大工程中成功應用，並不斷擴大應用數量和範圍。

在「嫦娥三號」探測器、「玉兔號」月球車成功登陸月球後，科技部曾這樣評價該團隊：作為我國探月二期工程的主任務，「嫦娥三號」探測器是我國太空飛行器首次在地球以外天體實現軟著陸和巡視探測活動，是探月工程「繞、落、回」三步走中承前啟後的關鍵一步。

金屬基複合材料國家重點實驗室(上海交通大學)為我國探月工程研製了多種高性能鋁基複合材料及構件，並成功應用於「玉兔號」月球車的移動分系統和「嫦娥三號」光學系統，為國家航天科技發展做出貢獻。

2010年10月1日發射的「嫦娥二號」探測器，成功應用3種構件。

2013年12月發射的「嫦娥三號」探測器，共計12種構件成功應用於3種載荷，並成功應用於「玉兔號」月球車行走機構棘爪構件。

2016年10月19日發射的「天宮二號」飛船，成功應用45種200餘件SiC顆粒增強鋁基複合材料構件。

2016年12月發射的「風雲四號」氣象衛星和2018年9月發射的「海洋一號C」等衛星型號中均成功應用了SiC顆粒增強鋁基複合材料及構件。

「至今已累計為航天重要工程提供關鍵構件10000餘件。」在自豪之餘，上海交大材料學院的科研人員表示，將持續關注國家重大需求，踐行「將論文寫在祖國大地上」之理念，勇攀科學高峰，為我國航天事業再立新功。

《中國科學報》 (2019-01-15 第8版 探索發現)

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