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“天问一号”出征 五一〇所“八大”硬核科技助力火星探测之旅

2020-07-24 00:00:00 智能朗读:

“天问一号”

“天问一号” □新华社照片

“天问一号”探测器成功发射

“天问一号”探测器成功发射 □新华社照片

火星能量粒子分析仪

火星能量粒子分析仪

集热器吸热涂层

集热器吸热涂层

火星车器表国旗和着陆平台国旗

火星车器表国旗和着陆平台国旗

空间活动零部件之一

空间活动零部件之一

着陆缓冲机构展开到位信号装置

着陆缓冲机构展开到位信号装置

二次电源组件

二次电源组件

    2020年7月23日12时41分,我国首个火星探测器由长征五号运载火箭在海南文昌航天发射场成功发射,我国首次火星探测任务正式实施,我国深空探测迈出崭新的一步。中国航天科技集团有限公司五院510所(以下简称510所)在火星探测任务中承担着八类产品的研制工作。值得一提的是,其中火星能量粒子分析仪是该所与中科院近代物理研究所联合研制。这些科研产品将在本次任务中发挥重要的作用。

    让我们更了解火星——火星能量粒子分析仪

    火星是否存在生命?星际空间和火星空间的辐射环境是什么样的?近火星空间能量粒子与火星大气的演化关系、太阳风暴能量粒子对火星大气逃逸的影响与相互作用的规律是什么样的?这一系列问题都是本次火星探测任务所要回答的问题。由510所和中科院近代物理研究所联合研制的火星能量粒子分析仪将为这些问题提供重要的基础数据。

    太空中到处充斥着各种各样的带电粒子,由于单粒子效应以及总剂量效应存在,这些带电粒子可能对航天器上的电子元件造成损坏,也可能威胁宇航员的健康。火星能量粒子分析仪可以用来分析空间环境中的带电粒子成分以及分布情况。利用火星能量粒子分析仪测量从地球至火星的带电粒子分布情况,可以提供抗辐射设计所需的参考数据,从而保护航天器以及未来探索火星的宇航员的安全。利用火星能量粒子分析仪测量近火星空间的带电粒子分布情况,可以与磁强计、离子和中性粒子分析仪等环绕器有效载荷联合分析火星大气逃逸的原因。

    510所自2016年启动火星能量粒子分析仪的研制工作,它是“天问一号”火星探测器环绕器上的其中一个重要载荷,将伴随“天问一号”火星探测器的“问天”之旅开展能量粒子探测任务。这是国内首次采用集成探测方案开展火星空间环境认知的科学探测任务,也是510所和中科院近物所在我国空间科学探测道路上的又一次新的重要的实践。

    510所该项目的技术负责人王鹢研究员说,火星能量粒子分析仪受限于工程指标的苛刻约束,必须采用单个探测器系统对质子、电子、α粒子和重离子进行复合探测,并进行粒子能量测量和种类鉴别,该方案是国内首次采用的集成探测方案,技术难度和实践风险非常大。为了完成这项任务,产品主管设计师胡向宇肩挑重任,吃住在实验室,带领团队在短时间内解决了物理探测方案设计和大动态范围、高灵敏度地读出电子学电路设计、探测器架构设计、高精度低噪电源、电子学刻度等多项技术难点,为产品研制奠定了坚实的技术基础。探测器需要保证质子、电子、α粒子等带电粒子有效进入探测器,而又必须阻挡空间环境中的光线进入探测器内部,就必须在探测器的入射口安装一片厚度仅为2μm的金属挡光片。就是这样一片金属箔片安装的常规工作,在火星能量粒子分析仪的研制中确不简单。薄如蝉翼已让众人惊叹,而面对比蝉翼还要薄100倍的金属箔片,让“轻轻拿起”这样简单的操作都变得无法实现。“太薄了,根本没办法操作呀”、“力学试验不会破损吗?”面对这些质疑,并没有吓倒“特别能啃硬骨头”的航天人,在完全没有前期经验可供借鉴的基础上,510所工艺人员严把材料选择、工艺策划、工艺验证等各环节要求,围绕金属箔片的“夹持”、“裁剪”、“定模”、“固定”等各环节开展了一轮又一轮的研究工作,历时3个月的努力,终于实现了微米级金属箔片无损安装,为如期实现我国首次自主火星探测任务提供了坚实保障。

    这只是在研制历程中510所航天人攻克的众多技术难题之一,2017年10月30日,首次火星探测任务工程总设计师张荣桥第二次来510所调研时,称赞了火星能量粒子分析仪前期取得的成果,对火星能量粒子分析仪科学指标实现、薄弱环节验证、研制试验的全面性、合理性、有效性给予了较高评价。2019年1月30日,火星能量粒子分析仪在北京中科院空间中心通过了正样产品的验收评审会和数据包审查,标志着510所承研的能量粒子分析仪是火星两器有效载荷分系统第一个完成研制交付的载荷单机产品。这对一个全新的科学载荷来讲,仅用两年半时间即完成了方案到正样产品的全流程,创造了“最后一个承接、第一个交付”的奇迹!

    年初新冠肺炎疫情期间,正是火星探测器发射前任务准备的关键时期,为了保障任务的顺利开展,研制队伍为了克服疫情带来的不利影响,项目办指挥马洪炯亲自周密部署,有序保障,采取“一站式”车辆服务,连续奔波于北京、海南两地,“85”后的主管设计师蔺璟就是其中的一员,自2月14日,她就和同事一起迎难而上、星夜兼程赶往北京开展实验任务,凭着精益求精的工作态度和过硬的业务能力,她出色的完成了承担的工作。火星能量粒子分析仪走到哪儿,她就跟到哪儿,按照工作的安排,她马不停蹄跟随试验队来到了海南文昌发射基地,这一呆又是几个月,圆满完成了在疫情期间的各项测试任务,为最终胜利奠定了坚实基础。

    为火星车穿上“防护服”——太阳能集热器光学组件和吸热涂层

    510所研制的太阳能集热器的主要任务是在火昼期间高效收集太阳辐射的热量并存储起来,供着陆巡视器在夜间使用,这就像是为巡视器穿上了一件特殊的“防护服”,肩负着保证巡视器夜晚热量供应的重要责任,而510所研制的光学组件和吸热涂层则是这件防护服的重要“材料”。

    为满足火星复杂恶劣环境下的工作要求,本次集热器光学组件在航天器上首次采用了透明薄膜材料作为空间窗膜材料,为了测试产品性能,研制团队深入沙漠腹地,在极端恶劣的条件下先后完成了风洞吹沙试验、野外暴露试验等各项测试,取得了大量的珍贵数据和研究成果,为实现它的首次应用奠定了基础。

    在火星打上中国标志——火星车器表国旗和着陆平台国旗装置

    在本次火星探测任务中,探测器将携带两面国旗着陆火星,他们分别是贴装于火星车表面的器表国旗和位于着陆平台的国旗装置(后续简称国旗装置)。

    510所研制的器表国旗此前已成功应用于嫦娥三号与嫦娥四号月球探测器,而国旗装置是在我国航天器上的首次使用,它首次采用了国旗卷绕与展开的展示模式,同时具有重量轻、展开冲击小等特点。

    让火星车运行的更顺畅——空间活动零部件

    要确保巡视器在火星表面能够正常行走、爬坡、翻越障碍等功能,由空间活动零部件作为驱动机构的关键部件起到至关重要的作用。本次火星探测项目中有510所研制的活动件产品1200余件,为各种机构产品提供了长时间在轨工作能力。

    飞火流星的“马车夫”——着陆缓冲机构展开到位信号装置

    如果将“天问一号”火星探测器比作一辆高速前进、飞向火星的“马车”,那么510所研制的着陆缓冲机构展开到位信号装置就是这架“马车”忠诚的“马车夫”。

    该装置已在神舟、嫦娥等任务中成功应用,本次它将为火星着陆探测器的“软着陆”发挥重要的作用。当着陆探测器接近火星,到达预定的高度时,当着陆缓冲机构展开时,信号装置就会发出着陆信号,探测器才能明确自身的展开状态,开始准备在火星表面着陆了。

    为火星车探测雷达提供动力支持——二次电源组件

    510所研制的二次电源产品承担着火星能量粒子分析仪和火星探测器雷达的供配电工作。火星探测器雷达二次电源组件基于510所多年开展二次电源产品的研制经验,简化了电路配置并通过微小型电源产品研制技术,最终实现了产品的尺寸小、重量轻的指标要求,它是510所目前功率密度比和体积最小的二次电源配电箱。别看它身材小,但能量却很大,是火星环绕器进行火星全球性和综合性探测任务的主要能源设备。

    兰州日报社全媒体记者 孙理/文 图为510所提供

来源: 兰州新闻网 兰州日报

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