“天问一号”国旗装置“兰州造”

　　原标题：“天问一号”国旗装置“兰州造”

研制团队

国旗装置锁定状态

国旗装置研制现场

　　6月11日，国家航天局在京举行“天问一号”探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。首批科学影像图的发布，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。从图像中可以清晰看出，贴装在“祝融号”火星车表面的器表国旗和安装于着陆平台上的国旗装置，鲜红方正。这两面国旗均出自中国航天科技集团有限公司五院510所表面工程事业部国旗装置研制团队科研人员之手。

　　我国首次火星探测任务于2013年全面启动论证，2016年1月批准立项。2020年7月23日“天问一号”探测器于海南文昌成功发射，历经地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等阶段，工程任务按计划顺利开展，截至6月11日，环绕器在中继轨道运行状态良好，“祝融号”火星车在火星表面已工作28个火星日。

　　国旗装置的三大创新点

　　今年5月22日，“祝融号”火星车安全驶离着陆平台，到达火星表面，正式开启它探秘火星的神奇之旅。“祝融号”火星车表面的这面国旗相对较小，长96毫米、宽64毫米，它与嫦娥三号、四号上使用的国旗是“孪生兄弟”。

　　而着陆平台上的国旗，长360毫米、宽240毫米。从“祝融号”传回的影像资料可以看到安装于着陆平台上的国旗装置已经顺利展开。由于受到安装位置和空间的限制，着陆平台上的国旗装置设计了类似中国传统文化中书画/画轴的展开方式，利用形状记忆复合材料实现国旗的锁定和释放。在着陆火星国旗展开前的地面总装与测试、发射、地火转移、环火飞行以及着陆阶段，国旗始终处于卷绕收纳状态；在探测器着陆火星后，国旗装置通过加热形状记忆复合材料释放并展开国旗。为了保证任务的顺利完成，国旗装置实现了以下方面的创新：

　　其一，重量轻。为了让探测器“轻装上阵”，国旗装置驱动机构采用形状记忆复合材料，使整个国旗装置的总重量小于200克。其二，展开方式新。结合中国传统文化，创新地设计了卷绕锁定-展开的国旗展示模式，这种方式不同于贴装或折叠收纳展开等常规携带方式，适用于较大尺寸的国旗，且动态展开过程栩栩如生，展示效果极佳。其三，可靠性高。解锁设计采用加热缓慢展开，形状记忆复合材料展开几乎没有振动与冲击。展开冲击小，对其他部组件影响小。航天器解锁展开方式通常为爆炸或电动机构驱动，此次国旗装置的解锁展开采用形状记忆复合材料。通过精确控制形状记忆材料结构状态，可实现国旗的卷绕（锁定）收纳与释放（解锁）展开。

　　记者从510所了解到，要实现这3大创新，科研人员必须解决3大问题：1.如何保证国旗在漫长的奔火过程中成功锁定？2.国旗长期卷绕怎么破解弯曲效应？3.如何顺利实现国旗装置的加热展开？

　　国旗装置研制任务时间紧，没有经过方案阶段，直接从初样开始。初样设计开始时，由于国内外没有相似产品可借鉴，产品设计所亟须的试验验证数据极度匮乏，研制团队无从下手，工作一度进展缓慢。510所上下齐心协力，并成立了以何延春、赵印中和李林为核心成员的研发团队。

　　在火星表面实现国旗装置的加热展开是一个复杂而精确的过程，因此整个展开策略的制定尤为关键。一方面国旗展开过程受到火星表面大温差、低气压、低重力等极端且多变的自然环境制约，存在较大的难度；另一方面受到探测器总体设计的制约，重量和功耗等关键指标都受到严格限制，设计和制造难度极大。针对这种情况，研制团队发挥航天人敢啃硬骨头的精神，对展开时可能面对的各种工况开展了数百次的实验验证，涵盖了可能遇到的所有极端条件，积累了大量的数据，为最终的成功研制打下了坚实的基础。

　　研制团队多次一起研讨产品设计工作，对产品设计中的难点逐一分析，抽丝剥茧。对关键技术进行边分析、边验证，结合验证结果进行反复迭代分析，并多次邀请所内外各个专业的专家进行把关、建议，最终完成产品的设计工作，并按任务节点完成了产品的加工、组装、产品测试及验收交付工作。

　　为火星车“穿”上“防护服”

　　太阳能集热器光学组件和吸热涂层项目也由510所表面工程事业部研制完成，该项目从2014年开始立项攻关，经历了四个阶段，解决了数十个技术难题。

　　由于火星距离地球十分遥远，发射成本极其高昂且载荷重量极其珍贵，每节省一点重量，不但会节省大量经费，还能将有限的载荷分配给其他分系统。火星车在着陆过程中会受到极大的冲击力，这给研制工作带来了第一个难题——找到轻质高强度的透光材料。510所表面工程事业部热控防护组长期从事柔性空间材料的研究工作，何延春研究员和他的团队当仁不让地承担了这项工作。他们首先面对的就是光学组件的选材问题，项目团队针对常用的窗口材料，如石英玻璃、有机玻璃、钢化玻璃等开展了大量调研工作，走访了国内数十家高校、科研院所和大型企业，进行了上千次测试和试验，却没有发现一种能够完全满足使用要求的材料。一个偶然的机会，团队在交流时提到了“窗户纸”这个词，这给了他很大的启发：为什么我们不能用“纸”做窗户呢？这个“纸”不是指普通的纸，而是柔性薄膜材料。于是，他们开始寻找高透明、高强度的柔性薄膜材料。经过深入调研，他们发现一种新型透明薄膜材料非常合适。但是该材料美、日等国对我国采取严格的技术封锁和禁运，而国内针对空间应用的特种薄膜的研制尚处于起步阶段，离应用仍有较大差距。为了解决国外进口限制、国内研制困难的严峻形势，研制团队基于数十年在空间表面工程技术方面的经验，与国内优势单位合作，历时一年多，经历了多次失败和反复，最终开发出了适用于火星应用环境的特种薄膜材料。

　　510所在此次火星探测任务中承担的光学组件和吸热涂层这两种产品都是首次在空间应用，这意味着巨大的挑战。但在以“敢啃硬骨头”著称的510所，向来不缺乏勇于创新、敢于挑战的青年科研骨干，杨淼就是其中之一，他是新型热控材料研制的“急先锋”。

　　光学组件实际相当于太阳能集热器的“窗户”，简单概括其三大功能就是密封、透光和防尘。项目研制团队在完成了新型透明薄膜材料的研制后，又面临着更大的挑战——如何验证这种新材料在火星表面特殊环境下的性能。火星探测不但需要面对低气压、微重力、高低温、空间辐射等恶劣环境，还需要解决以往空间探测未遇到的风沙环境。由于研究难度大，对试验设备和测量仪器要求高且应用范围少，国内对于材料在火星风沙环境下的研究基本处于空白。杨淼在查阅NASA“海盗号”和“洞察号”火星探测器大量观测数据的基础上，多次与分系统设计师沟通，与兰州大学西部灾害与环境力学重点实验室专家一起确定了首先采用数值计算和模拟建立地面等效的沙尘环境，再借助多功能风洞进行吹沙模拟实验，最后进行野外长期暴露实验的三步走策略，由浅入深，逐步建立并完善了材料在地面模拟火星环境沙尘的实验方案。随后的一年时间里，他多次往返于北京、兰州和沙漠试验场地，无数个日夜忙于方案制定、评审和试验，在敦煌库姆塔格沙漠月球车实验基地、民勤青土湖腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠边界观测站等地都留下了辛勤的汗水。功夫不负有心人，在大量的计算数据和观测数据基础上，杨淼和他的同事们圆满完成了光学组件在火星特殊风沙环境下的性能研究，证明光学组件在火星环境的适用性，并且首次设计了全套模拟火星风沙环境的方案并验证了该方案的可行性，为我国后续在该领域的研究打下了坚实的基础。

　　同时，杨淼还担任火星车吸热涂层产品的技术负责人。吸热涂层任务的难点在于涂层的膜系结构设计和真空镀膜工艺。最初接到任务后，在模样阶段杨淼他们就开展了一系列实验工作，试镀了一批样品，但随着总体方案的一次次修改，最终任务要求在不高于90℃的低温环境下直接在设备安装板表面镀制吸热涂层，而按照原来的镀膜工艺必须在300℃左右的高温下才能得到质量优异的膜层。新的挑战来临，杨淼立即开始了针对镀膜工艺的攻关。面对困难，杨淼和他的同事们将难题分解，通过专用镀膜设备改造，解决大面积均匀性控制难题；通过专用镀膜工装和掩膜工装设计，实现镀膜区域精确控制；通过引入离子束辅助工艺，在低温下实现了高性能涂层的沉积；通过温度传感器和专用降温工装设计，实现了大面积沉积过程中各部位温度实时监测，最终将所有的难题逐个击破，取得了成功。（记者 何燕/文 510所供图）