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相控陣敏感器、納米氣凝膠,天問一號上有這些“科技新元素”

來源:中國軍網-解放軍報作者:楊慶 武勇江 王凌碩責任編輯:楊紅
2021-05-28 07:08

天問一號上的“科技新元素”

■楊 慶 武勇江 解放軍報記者 王凌碩

圖為相控陣敏感器研究團隊在進行產品測量精度分析。

5月15日7時18分,天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區,我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

天問一號成功的背后,離不開大量“科技新元素”的支撐。

相控陣敏感器:太空“千里眼”優勢多

我國此次火星探測,旨在通過一次發射實現對火星的環繞、著陸和巡視。作為位置和速度測量的重要儀器,相控陣敏感器在著陸階段,為航天器持續提供高精度測量數據,成功助力著陸巡視器安全著陸火星表面。

相控陣敏感器安裝在火星著陸巡視器進入艙著陸平臺下方,作用范圍達數十千米,可謂火星探測器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的測量敏感器密切配合,接力引導航天器平安降落在火星上。

航天器從130多公里的高空進入火星大氣,速度高達5.9公里/秒。要在短短幾分鐘內,讓航天器速度歸零,是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵一環。

相控陣敏感器總工程師孫武介紹,這是國內首次將相控陣體制雷達應用于地外天體著陸測量。因火星和地球間距離漫長,通信存在一定時延,在地球上無法控制著陸過程,必須讓著陸巡視器自主完成這段旅程,這對敏感器提出的要求極為苛刻。

孫武說:“相控陣敏感器的雷達天線由多個輻射單元組成,就像生物學中蜻蜓的復眼,具有波束掃描快、指向靈活、目標容量大、抗干擾能力強等特點。”

此外,相控陣敏感器具有提供9個方向的測量功能,航天器可切換其中任意4個方向同時測量距離速度信息,從而快速修正航天器的姿態測量誤差,確保著陸巡視器方向控制準確無誤。

懸架減速自鎖裝置:小型“傳動器”作用大

火星表面地形復雜,祝融號火星車如何準確傳遞運動指令,進而靈活行走、爬坡下坎?這一切離不開火星車移動分系統核心傳動部件——懸架減速自鎖裝置。沒有它的支持,火星車就如斷線的風箏。

如果將火星車比作一輛馬車,那么懸架減速自鎖裝置就是駕馭這架“馬車”的“車夫”。在火星車左右兩側懸架上,分別裝備了2種結構精密的懸架減速自鎖裝置。該裝置體形小、重量輕,整套傳動裝置相互配合,使火星車6個行走車輪獨立實現抬升和降落,實現車體姿態和高低調節,以適應火星表面地形,保證爬坡下坎行動自如。

火星探測任務的重頭戲就是在火星表面巡視,這個過程必須萬無一失。項目技術負責人賀志斌告訴記者,他們花了整整半年時間,從原材料、熱處理、機械加工、精密測試與試驗等基礎方面入手,通過不斷探索和開拓創新,一路闖過了多道難關,確保了火星車在轉向、過坡中更自主靈活。

納米氣凝膠:“超薄外套”脫穎而出

為確保天問一號探測器成功降落火星并正常工作,火星車采用了一種新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠。它不僅可用來應對極熱和極寒兩種嚴酷環境,且憑借其超輕特性,能極大地減輕火星車的負擔,讓它跑得更快、更遠。

納米氣凝膠是由納米尺度固體骨架構成的一個三維立體網絡,密度可做得比空氣還低,是世界上最輕的固體;導熱系數僅為靜止空氣的一半,是導熱系數最低的固體。這使它成為天問一號應對極寒、極熱等嚴酷環境所需防護材料的不二之選。

火星著陸階段,著陸發動機產生的熱量會使周圍溫度超過1000℃,這種極熱考驗超出了世界上氣凝膠材料的耐溫極限;而極寒考驗出現在火星巡視階段,要能確保火星車在-130℃的環境正常工作。更難的是,為給火星車減負,需要氣凝膠具有超低密度,這對材料設計和制備都提出了巨大挑戰。

據悉,天問一號探測器上用到的氣凝膠材料,先后經過了物理特性、力學性能、隔熱性能和空間環境耐候性能等近百項測試。

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