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12月2日 我院多项研究成果助力“嫦娥奔月”[图]

2013年12月2日,“嫦娥三号”探测器从西昌卫星发射中心发射成功,并于2013年12月14日首次实现了月球软着陆;15日着陆器和月球车实现分离,“玉兔号”月球车开始月面巡视和相互摄影。“嫦娥三号”作为我国探月二期工程的主任务,是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和巡视探测活动,是探月工程“绕、落、回”三步走中承前启后的关键一步。

  我院多项研究成果成功应用于“嫦娥三号”及“玉兔号”,为探月工程作出重要贡献。

  高性能铝基复合材料棘爪

“玉兔号”月面巡视

  移动分系统是“玉兔号”月球车开展月球移动探测的关键和难题之一。“玉兔号”月球车在月面上开展巡视工作,要面临恶劣复杂的空间环境和复杂未知的地形地貌的考验,因此对其移动分系统的要求极其严苛。如月球上的“白天”温度高达150度,而月球上的“黑夜”的温度低达零下180度。如此大的温差会使构件产生热应力及热变形。此外,月球车移动分系统在进行越障、爬坑、爬坡等动作时,要承受各种碰撞、挤压、摩擦、磨损等。因此,必须采用轻质、刚性好、耐磨、抗冲击、性能稳定的新型材料。

      为解决这一难题,金属基复合材料国家重点实验室呕心沥血,研制了具有重量轻、高刚度、高耐磨、耐冲击、尺寸稳定的新型铝基复合材料,解决了传统材料无法做到的难题。先后为用户单位提供了千余个构件,并通过了各种试验考核,成功装备于“玉兔号”月球车的车轮。据中央新闻直播报道:月球车筛网棘爪做轮子,越野避障样样行。

  由于“玉兔号”月球车工作的特殊环境和要求,在月球车上使用的镁合金必须具备适应月球高低温循环变化环境、具有高强韧性、具有高防腐蚀性、高轻量化等性能。为解决这一难题,探明镁合金材料在月球高低温循环变化环境下材料成份、微观结构、晶体缺陷与析出相之间的交互作用机理,从2009年起,在上海航天基金的支持下,轻合金精密成型国家工程研究中心与上海航天技术研究院合作,开展了相关研究,揭示了月球车用镁合金复合强韧化机制与控制手段,并开展了“玉兔号”月球车用镁合金材料加工工艺、热处理、防腐蚀处理等方面的研究,探明了镁合金在月球车结构与机构分系统中的可行性及镁合金材料的服役性能。在此研究成果的指导下,开发出了“玉兔号”月球车结构与机构分系统中的镁合金材料,应用于桅杆驱动机构壳体、机械臂臂杆和驱动关节连接件等部件,支撑了探月工程月球车的研制,为月球车的轻量化作出了积极贡献。

“玉兔号”踏上月面

  由于月球环境的特殊性,“嫦娥三号”装载的星载光学仪器的任务要求其必须具有很高的分辨率和稳定的光学性能,这就要求对结构与器件进行优化设计时,所用材料必须具有足够的尺寸稳定性和良好的刚性等优异的综合性能。但当时现有的材料难以满足这一需求,为解决这一难题,金属基复合材料国家重点实验室倾力研制了具有重量轻、刚度高、尺寸稳定性好的铝基复合材料,为有效解决星载光学仪器要求高分辨率和高稳定性的难题作出了重要贡献。先后为航天部门提供了十余种构件,并通过了各种试验考核,成功装备于“嫦娥三号”的多种遥测遥感仪器上,为“嫦娥三号”成功发射、运行和完成各项任务作出重要贡献。

  此次研制并成功应用于“探月工程”的多种轻质高强材料,凝聚了众多交大人几十年的努力和心血。金属基复合材料国家重点实验室和轻合金精密成型工程中心为我国探月工程研制了系列轻质高强材料并成功应用“嫦娥三号”和“玉兔号”,为国家高科技发展作出重要贡献。

  多种高性能铝基复合材料的研制成功并投入实际应用是金属基复合材料国家重点实验室三代人、三十多年努力拼搏的成果。自1978年来由张国定教授领衔,在国内率先开展了铝基复合材料的研究,实验室形成了以张国定、张荻和欧阳求保教授为核心的老中青的铝基复合材料研究团队。研究团队先后承担了张荻教授作为首席科学家的国家“973”项目“先进金属基复合材料制备基础”、国家863、自然科学基金和多项国家重要项目等。在这些国家大项目支持下,研究团队对铝基复合材料开展了长期、系统和深入的基础和应用基础研究,并取得重大进展:解决了材料组分优化设计、复合与制备过程中的复合组织与界面形成和演化规律、微观结构与力学性能之间的耦合响应机制、加工和应用中的诸多关键科学问题和关键技术难题;自行设计和建立了材料复合制备平台,解决了材料制备的瓶颈;研制出的铝基复合材料性能与国际领先水平相当;建立了国内第一个航天用铝基复合材料的技术标准。多种高性能铝基复合材料的研制成功打破了国际技术封锁和材料禁运,实现“零”的突破,研制的铝基复合材料已经成功应用于国家重要领域的多个重大工程;目前,铝基复合材料是我国重要领域用关键材料之一,实验室已成为我国轻质高强铝基复合材料主要研发和制造基地,为我国高科技发展和维护国家安全作出了重要贡献。

  月球车用镁合金的成功研制,倾注了轻合金精密成型工程中心以丁文江教授、吴国华教授等多名教授为核心的研究团队几十人的心血。经过四年的不懈努力,突破了镁合金在月球上应用的辅以性能差、耐腐蚀性差等多项难题。轻合金精密成型工程中心以“发展镁科技、实现产业化”为研究目标,一方面专门从事镁合金相关的基础研究工作,另一方面从事镁合金工业应用前的工程化研究工作。近年来,在这样一个“产学研”高效结合模式的推动下,轻合金精密成型国家工程研究中心先后承担了国家自然科学基金、教育部博士点基金、国家“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”重点科技攻关计划、国家高技术研究发展计划(863计划)、科技部中小企业创新基金、上海市科技发展基金等国家和省部级科研项目60多项。中心以培养国际一流的镁合金材料专业人才为目标,坚持为研究生提供一流的科研条件和国际化的研究氛围,已是国内镁合金材料科学领域重要的研究生培养基地。

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