“月背”登陆成功,五星红旗月球闪耀!揭示国旗登月的秘密

今天上午10时26分,嫦娥四号探测器在月背成功着陆,开始人类首次“月背”探索。五星红旗在月球闪耀。

“月背”登陆成功,五星红旗月球闪耀!揭示国旗登月的秘密

从距离月面几十公里的高度着陆月面,瞬间冲击力巨大。嫦娥四号探测器能够经受住最后“一落”,安全着陆月面,四条强健的着陆腿至关重要。

嫦娥四号探测器体型巨大,重量超过一吨,着陆缓冲机构,即着陆腿,能够通过缓冲功能,将探测器在着陆月面瞬间产生的冲击有效吸收,防止巨大的冲击力对探测器及安装的重要仪器设备造成损伤。

为了确保良好的缓冲作用,中国航天科技集团五院的工艺人员与设计人员在着陆腿里特别配备了“大脚掌”和“主副腿”两大“法宝”。

“‘大脚掌’是与月球表面直接接触的部位,看上去像一个大脸盆,直径差不多是普通人脚长的两倍。”专家表示,这种盆状结构可以更好地防止探测器在着陆月面时翻倒。工艺人员与设计人员从结构设计、材料选择、加工方法等方面做足了功课,经历了成千上万次试验,进行了上万件材料的筛选,才最终敲定了工艺方案。“大脚掌”内部使用了一种蜂窝状材料,并在中央埋藏了一个特别的金属结构,像足弓一样,能够将冲击力有效分散开。“足弓”内部还填充有更加致密的缓冲材料,能够有效吸收冲击能量,起到更好的缓冲作用。

其次是主腿和副腿,每条着陆腿都包含一个主腿和两个副腿。着陆前,副腿推着主腿向外侧展开到规定角度并锁定,着陆时,主腿是主要支撑结构,负责传递、吸收各种冲击力,副腿也会辅助主腿缓冲巨大的冲击力,使探测器落月更稳定、安全。

专家介绍,主腿和副腿的外壳均是又长又薄的圆筒,设计师优选了高强度的铝合金材料,既能减轻着陆腿重量,又能确保圆筒的强度。主腿、副腿的尺寸有很高的精度要求,研制人员设计了辅助加工的装夹工具,并且优化了加工与消除应力的流程,精选专用加工刀具,最后在工人的精湛手艺下,制作出精密的外壳。圆筒中同样填充有缓冲蜂窝材料,以保证着陆腿的缓冲效果。

据了解,在前期试验中,研制人员加工了约6000件规格各异的缓冲蜂窝,在材料筛选阶段,试验了多种产品,最终筛选出性能稳定、成品率高的缓冲蜂窝。而在材料的加工阶段,则尝试了电火花、线切割、冲压加工等多种加工方法,最终选定了能满足精度和研制进度的方法加工。缓冲蜂窝经过了全面的“体检”,能够经受住多种压力、各种温度交替的试验。在着陆时的巨大冲击下,主腿和副腿都能依靠挤压蜂窝吸收冲击力,让探测器更加平稳地着陆。

降落相机“直播”降落全程

“月背”登陆成功,五星红旗月球闪耀!揭示国旗登月的秘密

四台相机,包括三台监视相机和一台降落相机,来自中国航天科技集团五院。“降落相机采集探测器的落月区域图像,尤其是对月球背面成像,对探测器落月区域的科学研究具有重大意义。”科研人员告诉记者,嫦娥四号着陆器降落在月球背面的艾特肯盆地,这个盆地是月球上规模最大、最古老的撞击盆地,对它的研究有可能揭示下月壳甚至上月幔的物质状况,是研究月球深部物质组成的重要窗口。

据了解,降落相机安置于着陆器的底部舱内,在着陆器降落过程中,降落相机以较高的帧频进行拍照,获得大量月球表面信息,反映月球表面地貌特征和区域地质情况。降落相机光学图像可获得与人的视觉习惯相近的月面景观,其所传送的图片可生动如实地描述着陆器降落的全过程,给人以身临其境的视觉冲击。

监视相机“监视”两器分离

嫦娥四号监视相机共有三台,主要任务是对巡视器与着陆器的释放分离过程进行全程监视,实现两器解锁、巡视器驶离连接支架、脐带电缆脱离、行驶至转移机构、释放分离等关键过程的监测,提高探测器系统月表活动的展示度。

同时,也可为释放分离过程中每一个指令的执行情况提供直观的视觉信息,并对下一个指令的执行风险提供评估依据。巡视器释放完毕后,装在着陆器侧面的监视相机可定时拍摄不同太阳高度角下的月面图像,并对巡视器月面工作情况进行监视,其图像还可用于分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况,从而辅助其他载荷进行科学探测。

小身材大身手

这些相机看起来与我们平常使用的数码相机无二,轻的三四百克,重的不过七百克,但集成了光、机、电、热等多项先进技术和自动曝光、实时图像压缩等智能化功能,在太空恶劣的辐射、温度环境下,能承受发射时的强烈冲击和振动,具备动态下清晰拍摄的能力,更具长寿命、高可靠性能,是真正轻小便携的“航天智造”。

科研人员介绍,为了让四台相机发挥各自功能,在嫦娥三号CMOS相机研制基础上,他们针对月球背面的着陆进行了复核复算。考虑到太空中复杂的粒子环境,严格选用高等级探测器;相机图像压缩算法经历了嫦娥二号、嫦娥三号的成功在轨验证,在继承的基础上不断优化;相机的自动曝光算法主要继承嫦娥二号监视相机,并在嫦娥三号降落相机自动曝光算法的基础上升级,对程序进行了优化调整,使其适应更加复杂的场景,调整更加迅速精准。

相机软件在原来的基础上也做了适应性的修改。因为嫦娥四号着陆在月球 背面,导致探测器直接与地面测站通信需要通过月球中继卫星“转手”,探测器数据传输的码速率大幅度降低。针对这一情况,降落相机现场可编程门阵列(FPGA)软件增加了一种高压缩比图像数据,完美解决了动力下降过程中实时图像观察与科学数据采集这两大任务需求,即探测器动力下降过程中,相机地面软件实时接收降落相机拍摄的高压缩比图像,探测器落月后再回放降落相机拍摄的科学数据。

五星红旗登月的秘密

上百次模拟确定国旗位置

航天科技集团五院嫦娥四号月球探测器国旗研制人员介绍,在方案编制和论证的过程中,研制团队几乎走遍了国内重要的宇航材料研制单位,查阅了国际上相关的研制资料。为了给红旗找到合适的附着区域,研制人员和图像与信息处理的有关专家进行了上百次模拟演练,几乎试遍了卫星上每一个可用的区域,验证了每一个可能的光线范围和拍摄角度、拍摄距离。最终,在巡视器和着陆器上分别找准了相应的位置,各自的红旗都在对方的摄像拍摄范围之内,确保清晰可见。此外,方案采用背胶与铆钉相结合的方法,确保五星红旗牢牢附着在卫星表面,

特殊材料抵御恶劣月表环境

常见的国旗一般由化学纤维织物、丝绸、棉布等纺织品制作,而探测器国旗是由一种叫聚酰亚胺的有机高分子薄膜材料制作的,它与卫星采用的热控材料一样,重量也从最初的200克降低到20克,可以最大限度地降低对星用载荷仪器的影响。

探测器国旗要确保在太空环境下经受得住考验,不变形、不变色。那么,月表环境中有哪些因素会对国旗产生影响呢?研制人员解释,首先,月表温度最低在-180°C以下,最高在130°C以上,温差达到三百度摄氏度以上;其次,月球表面没有大气,属于真空状态,太阳产生的紫外线非常强烈,同时存在宇宙射线和高能粒子的辐照作用。而在地面环境下,温差只有几十摄氏度,而且因为有大气层的保护,空间粒子和大部分紫外线也都被隔绝了,“月表环境和地面环境完全不同,对材料有很强的破坏作用,而探测器国旗采用的聚酰亚胺材料,能够有效抵御恶劣的月表环境。”

环境不同,探测器国旗的颜色在月球上与在地面上一样吗?研制人员介绍,太阳光在穿过大气层到达地面时,人眼可以识别的可见光部分变化很小(略有吸收),可以认为可见光在大气层外(宇宙空间,包括月表)与地面是一样的,唯一的区别仅在于月表的可见光光照强度比地面略大一些,所以探测器国旗在月表对于可见光的反射情况与地面是相同的,我们看到的国旗颜色与地面上也是一样的。

反复试验确保国旗不变色

国旗制作有一套严格的标准,红黄两种颜色、五角星的规格均有严格的量化规定。但探测器国旗是采用特种涂料印制于有机高分子薄膜材料上制作出来的,与国标中规定的纺织品材质有很大不同,因此无法直接引用其色空间坐标,研制团队只能采用标准色卡和图表灰度卡严格对比、反复调试,与国标达成一致。对于大五角星和四个小五角星,不仅对其位置严格测量,而且对其每个角的度数严格测量,确保误差在允许范围之内。

研制人员介绍,第一套国旗样品是采用激光喷绘工艺制作的,虽然拍摄出来的效果很好,但是近距离仔细观察,由于涂料喷绘时有少许不均匀,致使红旗表面出现小量微小的颗粒物,“最后完全更换了工艺,特别委托研制了一套高精度的丝网印刷设备,专门给国旗上色,经过多轮试验,印制出的五星红旗比镜面还光滑,达到了预期的研制效果。”

如此一丝不苟,可是产品在地面高低温环境试验中还是发生了问题。当真空环模试验温度增加到一定高度时,红旗的色彩和图案全部蒸发了,只剩下一片光秃秃的长方形材料。研制团队又以5°C为单位逐步调整试验温度,历经多次热真空等试验,充分验证了探测器国旗的耐温性能,最终实现了在±170°C范围内,国旗均能保持鲜艳如新。

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