嫦娥四号软着陆，离不开这个“硬”家伙

来源：中科院之声 

作者：司永礼 姚洁

2019-01-12

小科和小固是一对好朋友，一天，两人聊起了关于嫦娥四号的一些事。

小科：小固，2019年开门红，我们国家最近发生了一件大事，你知道吗？

小固：当然知道啦！2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面，实现了人类探测器首次月背软着陆。这是人类航天史上的一项壮举，是人尽皆知的大事！

小科：我还听说，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）参与了此次嫦娥四号着陆任务，还起到不小作用呢！

小固：哈哈，要低调，低调。

小科：来给我详细说说嘛！让我也长长见识！

小固：那好吧！那让我们从这次的探测器着陆开始讲起吧！

众所周知，月球背面就像一个“盾牌”，为地球挡住了陨石的直接撞击。因此，月球背面陨石坑的数量远远多于正面，而且月面布满沟壑、峡谷、悬崖，平坦区域极少，这为嫦娥四号探测器月球背面软着陆带来了巨大挑战。通俗地讲，嫦娥三号相当于在华北平原着陆，嫦娥四号则相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

由于月球空气稀薄，嫦娥四号探测器无法用降落伞着陆月球表面，这就需要借助特殊的着陆装置。

小科：哇！就是你们固体所专门为月背探测自主研发的软着陆用关键产品——“高效吸能合金拉杆”吗？

小固：你知道的还真不少呢！没错，我们也称它为“缓冲拉杆”。缓冲拉杆安装在嫦娥四号探测器的辅助着陆腿上，共有16根。

探测器着陆的时候四条主腿会受到相应的外界载荷，缓冲拉杆通过自身的塑性变形，把这种冲击力转变为拉杆的塑性变形的功，从而通过牺牲自己保护探测器上所携带的精密仪器设备。

鉴于在着陆中起到的负载、吸收能量、减缓冲击力、保障探测器安全着陆等重要作用，因此，缓冲拉杆被确定为“嫦娥四号”着陆系统的“关键重要部件”。

小科：它具体是怎么发挥作用的，快来给我说说！

小固：当嫦娥四号探测器着陆时，面临四条主着陆腿落地时间不一、冲击力分布不均带来的巨大风险，在极端条件下部分拉杆将承受更为强烈的冲击拉伸作用。因此，拉杆必须高效、可靠、稳定地发挥吸能作用。

与此同时，由于着陆机构的整体重量受到严格约束，拉杆须在有限的质量、体积、尺寸和塑性变形条件下吸收尽可能高的能量，拉杆材料必须具备极高的塑性变形能力、适中的抗拉强度和稳定的力学响应行为。

简单来说，在力学实验机上，普通金属杆一拉就会断裂，而我们研制的缓冲拉杆可以像橡皮泥一样被均匀拉长，最大拉伸长度可达自身长度的80%到110%。也就是说1米长的拉杆最多可被拉倒2.1米长。

小科：哇，这岂不就像《海贼王》里路飞的手臂一样，堪称“钢铁橡皮泥”呀！那么，缓冲拉杆有什么技术难点呢？

小固：拉杆材料最大的难点就是，它既不能太强，也不能不强。

因为它有两个最重要的技术指标——“强度”和“塑性”是相互制约的，共同作用于拉杆的吸能本领。主着陆腿着陆时受到冲击载荷，此时通过拉杆的塑性变形吸能抵消外界的冲击功，从而保护探测器上所携带的精密仪器。

力和位移曲线所包含的面积大小代表拉杆材料吸能能力的好坏。吸能大小一方面取决于曲线的高度（即拉应力），一方面取决于曲线的长度（即变形量）。曲线不能太高、也不能太低，太高或者太低都不能起到保护作用；同时又要保证曲线足够长，使它的面积足够大，才能产生足够的吸能性，这要求它的塑性变形能力就要特别地好。这是缓冲拉杆最大的难点。

小科：那么我们科研人员是怎样克服这些难点，达到航天材料的要求呢？

小固：为研制这种塑性好、强度适中、重量轻的材料，固体所的科研人员经过6年时间的攻关，突破了拉杆产品多项热加工关键技术，建立了完善的工艺体系和质量管理方法，有效保证了拉杆产品服役性能的可靠性、稳定性和一致性。

在拉杆材料组织与性能调控、拉杆结构设计以及各项工艺技术等方面取得了多项创新性成果，终于设计并制备出了各项性能指标及空间环境适应性均优于技术要求的材料及产品。

缓冲拉杆材料的性能特点总结起来就是：高塑性（延伸率可达80~110%）及适中的强度（600~850MPa）；良好的吸能性（高达30kJ/kg）；较低的应变率和温度敏感性。

缓冲拉杆材料与传统的材料相比，一方面是“强度”和“塑性”的积拿捏的正好。

例如，传统工程材料中，不锈钢的强度和塑性较好，但吸能性欠佳；铜、铝这些生活中常见的延展性良好的材料，强度却很低。很难找到能够满足“在有限塑性伸长条件下吸收足够冲击能”的材料。

而拉杆材料的强塑积刚刚好。

另外一方面，拉杆材料对温度变化不敏感，具有很强的空间环境适应性。由于月球表面没有大气，再加上月面物质的热容量和导热率极低，因此月球背面的温度可低达-183℃。而对于一般金属材料来说，当温度低于韧脆转变温度时，材料就由韧性断裂转变为脆性断裂，断裂时几乎不发生塑性变形。

拉杆材料无明显的韧脆转变温度，在极低的温度下依然具有优异的力学性能——良好的塑性和适中的强度，这为嫦娥四号在月背软着陆提供了可能。

小科：其中的艰辛我想不说大家也应该感受到了。我们的科研人员真是不容易呢！

嫦娥四号任务结束了，我们固体所的科研人员，下一步有什么计划呢？

小固：目前，固体所正在承担“某新型探测器”着陆机构缓冲元件的研制任务，目前已进入正样研制阶段。在该着陆机构的两个核心吸能元件中，拉杆材料是唯一的缓冲材料。固体所针对这两个吸能元件不同的服役特点和技术要求，对拉杆材料组织和性能调控方法进行了大胆尝试，在材料综合力学性能和单位质量吸能性等方面取得了新突破，为该着陆机构减重提供了重要支持。

小科：我忍不住要为固体所的科研人员点上100个赞！

谢谢小固，也希望我们今后的科学研究在深空探测领域发挥更加重要、长远的作用！