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2021年5月15日，中國首輛火星車“祝融號”在環(huán)火軌道遨游數(shù)月后，終于從“天問一號”飛船中分離并下降，成功踏上了這顆火紅色星球的土地上！

看似并不復雜的動作，實則危機四伏。

 

“祝融號”著陸在極短的時間內(nèi)穿越火星大氣層，經(jīng)歷了“黑色9分鐘”。這9分鐘里，“祝融號”高速進入大氣層，并與大氣層產(chǎn)生摩擦，表面溫度急劇升高；在高熱狀態(tài)下，“祝融號”與大氣層發(fā)生了復雜的物理化學反應(yīng)。

 

 

在接近火星地面時，“祝融號”從4.8km/s的降落速度，在5分鐘內(nèi)減為460m/s，并在降落傘打開后減為不到100m/s，接著在大推力發(fā)動機的作用下在100m左右的高度時降為零，再靠四條著陸腿緩沖掉最后沖擊力，最終讓搭載6臺科學儀器的火星車平穩(wěn)落地。

 

 

由于從火星到地球的信號傳輸一個來回需要約20分鐘，無法進行人工指令的干預，而著陸的機會短暫且唯一，著陸過程中也沒法暫停任務(wù)。面對一系列復雜情況，“祝融號”依靠高度的智能化預判突發(fā)性事件，順利完成了登陸任務(wù)。

 

著陸后的“祝融號”火星車將開展為期90個火星日（地球大約三個月）的科學探測任務(wù)，任務(wù)包括繪制火星形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖、調(diào)查火星表面的土壤特征和水冰分布、分析火星表面的物質(zhì)組成、測量電離層和火星地表氣候及環(huán)境特征、探索火星的物理場（電磁場、引力場）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

 

 

“祝融號”火星車重約240公斤，是“玉兔二號”的2倍，長3.3米、寬3.2米、高1.85米。

 

火星上空氣稀薄又寒冷、晝夜溫差大，平均溫度只有零下63℃，如同地球上荒蕪的戈壁灘環(huán)境，表面坑坑洼洼，還經(jīng)常會發(fā)生沙塵暴等極端天氣，條件十分惡劣。擺在“祝融號”火星車面前挑戰(zhàn)，十分艱巨。

 

任務(wù)能否成功，取決于“祝融號”火星車的結(jié)構(gòu)和采用的材料，那么哪些材料在為“祝融號”保駕護航呢？

 

“祝融號”的優(yōu)勢還是在材料和通信上。比如“祝融號”的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，很輕，隔熱性能好。它的太陽能面板也不會被灰塵給封印，因為面板可以調(diào)節(jié)角度，甚至可以豎起來，而且面板上也有一層特殊涂層，不容易粘灰。

 

 

“祝融號”還采用了鋁蜂窩夾層材料、鋁基碳化硅、復合纖維材料等多種新材料，能提升火星車的高耐磨性和穩(wěn)定性，基礎(chǔ)零部件都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，元器件國產(chǎn)化率也超過90%。它收集到的數(shù)據(jù)需要傳輸給還在天上轉(zhuǎn)圈的“天問一號”，然后由“天問一號”轉(zhuǎn)發(fā)給地球。

 

“祝融號”用了哪些材料？

 

在“黑色9分鐘”內(nèi)，流星一般高速下降的著陸器，與火星大氣層高速摩擦，著陸器表面溫度急劇升高，如果不進行有效防護，那么著陸器在大氣層就面臨被燒毀的危險。

 

那么在防熱方面，“祝融號”用到了哪些材料？

 

連續(xù)纖維增強中密度防熱材料

應(yīng)用在需要維持探測器整體形狀的上下邊緣和結(jié)構(gòu)支撐部位。

 

作用：該材料相比較低密度材料其強度更高，密度約為0.9g/cm3，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

 

研究團隊：中國運載火箭技術(shù)研究院所屬航天材料及工藝研究所。

 

超輕質(zhì)的燒蝕防熱涂層材料

 

應(yīng)用在氣動加熱較為緩和的背罩部位。

 

作用：該涂層材料密度僅為0.28g/cm3左右，熱導率低至約0.06W/m·K，其基本熱物理性能達到國際先進水平，不僅隔熱性能優(yōu)良，對著陸器的減重也起到了重要作用。

 

研究團隊：中國運載火箭技術(shù)研究院所屬航天材料及工藝研究所。

 

“祝融號”承載了多重任務(wù)，攜帶的設(shè)備較多，還需要經(jīng)受著陸時“黑色9分鐘”考驗。因此對輕量化要求十分高。

 

此外，火星環(huán)境復雜、表面凹坑密布，為著陸增加了更多的困難。為了保障“祝融號”在火星表面成功實現(xiàn)軟著陸，采用了輕量化及特種吸能材料。

 

特種高吸能合金

 

應(yīng)用于著陸機構(gòu)。

 

作用：該合金具有突出的強韌性、輕質(zhì)性和吸能性，吸收探測器著陸時的沖擊能。

 

研究團隊：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究體所。

 

鋁硅封裝外殼

 

應(yīng)用于探測器著陸系統(tǒng)的TR組件等核心關(guān)鍵元器件封裝解決方案。

 

作用：保障探測器著陸系統(tǒng)電路的安全，為器件內(nèi)部電路穿上了安全可靠的“保護衣”，保障探測器在火星安全平穩(wěn)著陸。

 

研究團隊：合肥圣達電子科技實業(yè)有限公司。

 

高性能碳化硅基增強鋁基復合材料

 

用于探測器高精密儀器。

 

作用：新型的碳化硅基增強鋁基復合材料構(gòu)件重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定，滿足了“祝融號”長時間運行時對某關(guān)鍵機構(gòu)的材料需求。

 

研究團隊：上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室團隊。

 

 新型鎂鋰合金

 

用于探測器結(jié)構(gòu)。

 

作用：作為目前世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，可實現(xiàn)探測器輕量化。

 

研究團隊：西安交通大學團隊。

 

 高精尖鋁材（蒙皮板、自由鍛件、超大規(guī)格板、鍛環(huán)、鋁鋰合金）

 

應(yīng)用于探測器。

 

作用：保障“祝融號”火星探測器長期的太空行駛及完成極其復雜的著陸過程。

 

研究團隊：西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司。

 

新型鋁基碳化硅復合材料

 

用于火星車結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、儀器等幾十種零部件。

 

作用：火星車要在工況復雜的火星表面長距離行走，這對火星車材料的輕量化、高強韌性、高尺寸穩(wěn)定性、耐沖擊性提出了極高的要求，傳統(tǒng)鋁、鈦合金難以兼顧綜合要求，新型鋁基碳化硅復合材料則可勝任。

 

研究團隊：中國科學院金屬研究所團隊。

 

      由于火星探測器距離太陽較遠，它所受到的太陽輻射強度大大減弱，溫度較低。火星上溫度很低，赤道上的平均溫度只有-23°C，針對復雜的溫度工作環(huán)境，“祝融號”有什么樣的防護手段？

 

 有機熱控涂層

 

用于航天器外表面。

 

作用：“天問一號”探測器在進入軌道后，處于地球大氣層以外的超高真空空間環(huán)境，朝向太陽的表面溫度非常高，而背向太陽的表面的溫度則非常低，導致航天器“冰火兩重天”。該材料得以保證“天問一號”探測器能夠在極端復雜的溫度環(huán)境下保持正常工作。

 

研究團隊：中國科學院上海有機化學研究所有機熱控涂層研制組。

 

納米氣凝膠

 

用于火星車。

 

作用：很輕，隔熱性能好，在探測器“落”與“巡”兩項任務(wù)中發(fā)揮作用。

 

研究團隊：中國航天科工三院306所。

 

隔熱降噪材料三胺泡沫

 

用于火星車。

 

作用：火星極端低溫環(huán)境下，還時常伴有風暴。該產(chǎn)品隔熱降噪效果好，衡量防火性能的氧指數(shù)高達34，一平方米的重量不足70克，各項性能可靠，保障火星車適應(yīng)惡劣環(huán)境。

 

研發(fā)團隊：綠宇新材料科技股份有限公司。