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纺大研制耐高温弹性密封装置 助力天问一号着陆“魔鬼9分钟”

作者:刘可帅 程鹏 郑婷来源:国重实验室 阅读:发布时间:2021-05-16审稿:admin

5月15日7时18分,天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平致贺电,代表党中央、国务院和中央军委,向首次火星探测任务指挥部并参加任务的全体同志致以热烈的祝贺和诚挚的问候。习近平在贺电中指出,天问一号探测器着陆火星,迈出了我国星际探测征程的重要一步,实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹,这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

武汉纺织大学徐卫林教授带领团队研制的“火星着陆巡视器耐高温弹性密封装置”,为着陆过程“魔鬼9分钟”中的姿态调整提供保障,深度助力天问一号探测器成功着陆火星,继成功研制嫦娥五号月面展示国旗后再次为中国航天事业贡献“纺大力量”。

紧急攻关 助力着陆巡视器成功应对“魔鬼9分钟”

“火星着陆巡视器耐高温弹性密封装置”由中国航天科技集团第五研究院委托武汉纺织大学研制。自2019年初团队接到紧急任务,团队成员刘可帅、郭维琪等在徐卫林带领下,用时14个月紧急攻关完成该项目。

(姿态控制工作发动机正在间歇式工作)

探测器在火星表面软着陆是其中风险最大、技术难度最高的环节。在火星着陆巡视器着陆的“魔鬼9分钟”里,当探测器抛掉大底和背罩,露出着陆平台和火星车时,大推力发动机开始工作,探测器观察地面,寻找最安全的具体着陆地点,此时,巡视器上12台姿控发动机配合主发动机起到减速和姿态调整作用。“火星着陆巡视器耐高温弹性密封装置”就装配在姿控发动机喷口尾管和导流锥管连接处,该装置使用特种无机纤维材料与金属材料复合编织,成功将姿控发动机喷口产生的1500℃高温阻隔、密封,并实现了姿控发动机喷口尾管和导流锥管的弹性连接。耐高温弹性热密封技术阻断了发动机火焰高温热传导对周边设备运行的影响,确保发动机火焰不泄漏,实现了姿控发动机火焰喷射时产生的反推力精准可控,为探测器平稳着陆火星提供了重要保障。

创新方法 攻克“隔热”“回弹”两大难题

12台姿控发动机在着陆过程中,按照智能化程序设置,根据姿态调整需要,间歇式独立工作累计时长约2-3分钟,“火星探测器耐高温弹性密封装置”材料要能耐受发动机此时1500℃高温火焰冲刷。同时,该装置在姿控发动机间歇式工作期间,需要在高温环境下,弹开压缩不断循环交替时始终保持密封。

(姿态控制工作发动机正在间歇式工作)

研制期间,团队在材料选用环节上遇到了技术难题。当时市面上不存在经1年长期压缩后,既耐1500℃高温火焰短时冲刷,又能保证100%回弹性的材料。经过查阅大量文献,多种方案尝试和实验发现,有机材料都无法满足此功能,只能选用无机材料,但无机材料在高温条件下无法保证100%的回弹性。团队创新性地提出将隔热与弹性功能分离的设计方案,使用特种无机纤维材料与金属材料复合编织,保证了装置的稳定性,同时采用波形弹簧有效解决了100%稳定回弹难题,最终达到了该装置所要求的技术指标。

自我突破 用航天精神引领“现代纺织”生动实践

团队负责人徐卫林说:“我们非常珍惜每一次难得的机会,只要是我们接手的任务,我们都会全力以赴!”异形三维纺织制品的成型是世界性技术难题,团队在材料编织过程中同样遇到了瓶颈,因无机纤维材料和金属材料难以混编,且市面上没有成熟的设备可以实现,于是团队“量体裁衣”,自制模具,配合手工编织,攻克了异形三维特种织物成型难题。

(刘可帅老师逆行前往发射场)

2020年疫情严峻时期,团队成员刘可帅逆行返汉,经学校特批回到实验室进行实验。4月10日,武汉刚刚解封,面对空旷的机场,刘可帅被使命感和恐惧感交织着,他独自带着装置登上空荡荡的飞机,前往海南发射场,到达后经过隔离和多次核酸检测,最终如期完成了发射前的组装。据团队成员郭维琪介绍,在项目试验过程中,团队成员赴某研究基地进行太空模拟试验,该基地位于大山深处,正值炎夏,蚊虫叮咬难耐,成员全神贯注完成试验,直至试验结束才发现被咬的满身包。依托该项目,还培养了许多、何加浩、付专、范航、杨旺旺、蒋慧敏、张佳靖等一批研究生,为他们投身“现代纺织”的进一步研究给予了良好的学术锻炼。

(团队成员进行模拟太空点火试验)

经过此次合作,航天五院对团队成员及其技术贡献高度认可,项目总负责人表示,武汉纺织大学战斗力强、创新能力强、解决问题能力强。

近年来,以天问一号着陆巡视器耐高温弹性密封装置、嫦娥五号月面展示国旗等为代表,武汉纺织大学以国家重大战略任务为己任,立足纺织、材料等特色学科优势,着力发挥省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室等高端平台创新驱动能力,突破一系列“卡脖子”关键技术,引领了从生物医疗到国防军工、航空航天、节能环保、智能穿戴等领域的“现代纺织、超纺织、大纺织”科研和应用不断拓展。接下来,学校还将更加聚焦智能制造、绿色制造、创意制造、效益制造,把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来,为改革开放和社会主义现代化建设更好地服务。

编辑:程鹏
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