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科技日报记者 吴长锋 2021年5月15日，历经近百天的环火绕行探测后，我国自主研制的火星探测器“天问一号”成功着陆于火星北半球乌托邦平原，“祝融号”巡视器与着陆架完成分离后，将对火星表面重点区域进行巡视勘察。 在这惊心动魄的火星着陆过程中，由中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所（以下简称“固体所”）研制的新一代“嫦娥钢”为“天问一号”着陆缓冲机构设计及探测器成功软着陆发挥了重要的作用。 为探月工程而生的“嫦娥钢” “嫦娥钢是根据我国探月工程嫦娥三号、嫦娥四号探测器在月面极端环境下的软着陆需求研制的一种新材料。”固体所助理研究员赵莫迪告诉科技日报记者，嫦娥钢的研究背景是根据我国探月工程嫦娥三号、嫦娥四号探测器在月面极端环境下的软着陆需求，研制的一种新材料,是以Mn、Al、Si等为主要合金元素的奥氏体合金钢,具有优异的综合力学性能,尤其是极高的延展性和吸能性,是冲击及撞击防护的优异材料。 赵莫迪向记者展示由“嫦娥钢”制成的两种缓冲元件。“分别是拉杆和限力杆，在‘天问一号’着陆过程中，通过自身拉长变形和弯曲变形来吸收能量，‘牺牲自己’保护探测器顺利着陆。”“两种缓冲元件被分别分布在探测器的‘辅助腿’上以及探测器与‘腿部’的连接处。‘嫦娥钢’外表看上去虽与普通钢材并无二致，但实际作用却不可小觑。”赵莫迪说，“普通钢材虽然很硬但是没有办法产生很大变形，塑性不到30%，‘嫦娥钢’具有极高的强韧性和吸能性，塑性可达到100%以上，不仅可以很硬还可以像橡皮筋一样被拉得很长，‘既硬又软’。” 新一代“嫦娥钢”远征火星 迄今为止，人类已经发射了50多个火星探测器，只有18次成功登陆，其探测难度远高于月球、金星等地外天体。据有关资料，火星着陆过程需从约2万km/h减速至零，相继经历气动减速、伞系减速，在距离火星表面约100米时，进入悬停阶段，然后着陆巡视器需在着陆缓冲机构保护下，抵达火星表面。整个过程持续时间仅约为九分钟，而通信信号由火星传到地球至少要十几分钟，无法实时监控，巡视器需在陨石、沙尘暴等恶劣环境威胁下自主完成一系列复杂降落动作，因该着陆过程异常复杂、危险，被称为“恐怖九分钟”。 为保障“天问一号”顺利渡过“恐怖九分钟”，成功着陆于火星表面，固体所在前期探月工程任务基础上，研发出新一代嫦娥钢，通过精细的组织调控和独特的工艺创新，实现了材料成分不变、吸能性显著提高的目标，并开发出着陆缓冲机构用拉杆、限力杆两种缓冲元件，利用该产品突出的强韧性、轻质性和吸能性吸收着陆时的冲击能，为“天问一号”着陆缓冲机构优化设计及其软着陆提供了重要支持。 “天问一号”在距离火星表面约100米时，进入悬停阶段，然后着陆巡视器需在着陆缓冲机构保护下，抵达火星表面。“缓冲拉杆在降落的一瞬间发挥作用，可以拉长110%，通过变形吸收着陆时的冲击能，对其他元件起到保护作用。”赵莫迪说，在火星探测任务中，除沿用缓冲拉杆以外，首次使用限力杆产品取代了部分进口铝蜂窝设计，真正实现了中国深空探测器着陆缓冲系统的完全自主化。 “嫦娥钢”开始走向多领域应用 “这种材料完全可以满足‘天问一号’缓冲性能要求，‘天问一号’选用的这种缓冲元件，取代了国外研制的元件，完全实现国产化。”赵莫迪说，“该材料应用前景广泛，如汽车业、建筑业、机械业等领域。” 赵莫迪告诉记者，固体所研发团队在嫦娥钢基础以及应用研究方面做了大量拓展性工作，并取得了重要进展。 据了解，固体物理研究所的科研团队通过成分优化设计与组织调控，已经开发出高强韧、高吸能、高耐蚀等系列嫦娥钢，并实现了30吨级合金批量冶炼生产。 “在嫦娥钢研发的经验基础上，我们通过材料组织精准调控，研发出满足特定要求的抗坠毁直升机起落架缓冲器产品，并通过了工程验证。”赵莫迪说，科研团队基于嫦娥钢开发出的新型水运桥梁防撞阻尼结构，成功应用于广东珠海大桥示范工程。“进一步借助于增材制造及精密铸造技术，研发出高比强、高吸能嫦娥钢点阵结构，将在我国后续的载人航天任务中发挥重要作用。”赵莫迪说。 |
