星河灿烂,尽情飞翔——记“张衡一号”和“嫦娥四号”上卷筒机构负责人2010届校友张从发博士

2019-02-27

 

嫦娥四号实现人类航天器首次在月球背面的软着陆和巡视勘察,揭开了古老月背的神秘面纱。在嫦娥四号上布设着三根5米长的“天线”——卷筒机构——用于低频射电天文探测。

201914日零点2时,随着CE-4着陆器上低频射电频谱仪最后一根卷筒机构成功展开到位,人类首次在月背开展低频射电频科学探测任务。作为航天科技五院总体部研发团队的成员,2010届材料科学与工程学院校友张从发博士做客北京校友会思享会特别节目,为我们讲述了嫦娥四号张衡一号上国内首次应用的卷筒机构研发背后鲜为人知的故事。

 

精诚所至,实现探测梦

当科学界得知国家要让“嫦娥四号”实施月球背面软着陆时,科学界欢呼一片。科学家在地面使用射电望远镜探测无线电波从而探究宇宙天体起源演化的过程中,一直面临着无法观测低于10MHz频率的外太空电磁波问题;而月球具有足够大的体积,可以有效地阻挡来自地球的无线电波干扰,这就为利用宇宙低频辐射研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能。空间低频射电观测一直是天文学家梦寐以求的探测方式。

然而,“嫦娥四号”只是嫦娥三号的备份,构型和布局已经确定且完备,为实现低频探测至少需要新增35米长的“天线”。“嫦娥三号”已经布满了设备,没有足够的空间再去布设3根如此庞大的探测“天线”。

上海交通大学校友张从发所在的五院总体部卷筒机构研制团队了解情况后,狠下心主动请缨,通过减少卷筒机构体积和实现轻量化,一定要把 “天线”布上去,为探测梦想实现提供可能。张从发所在的团队在自主研制成功的国内首套轻质大收纳比直线伸展机构基础上,提出了展开长度增加0.5m、质量减轻34%、收拢体积降低33%的第二代天线使用卷筒伸展机构,经与CE-4探测器总体和载荷单位的多轮迭代,在CE-3探测器基础上新增35米长的探测天线。探测梦雏形初现,但要想实现还需要经过严谨的鉴定试验验证。

为了赶上探测器任务总体进度,张从发所在的卷筒机构团队不惧艰辛,大胆进行产品研发模式改革探索,优化产品研制流程,缩短集成装配周期。进入产品测试阶段,研制团队更是放弃了无数个夜晚的休息时间,废寝忘食,用几百次的测试保证了产品验证充分到位,为产品的在轨完美表现打下了坚实基础。在经费非常有限的情况下,张从发所在的团队让“嫦娥四号”实现了新载荷搭载,并为科学探测提供优良条件,这是巨大的创新,更是心血的累积。

 

打破垄断,树立里程碑

“嫦娥四号”是卷筒机构的一次应用,而卷筒机构初次研发并应用成功则是在201822日发射成功的“张衡一号”卫星上。张衡一号是电磁监测的首发星,其发射升空并进入预定轨道,标志着中国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。“张衡一号”探测卫星上像刺猬一样的六根伸杆,是张从发负责研制的,这也是张从发从2010年博士毕业以后第一次负责的项目,是他2010年到2018年这八年全部的青春。张从发说:“2018年我的第一个孩子成功的飞上了天”。这个孩子,就是“张衡一号”上卷筒机构。

 

“张衡一号”卫星是中意合作,最早卷筒机构伸杆由意大利方负责研制,因陷入经济危机,意方选择退出,就这样,张从发和他所在的团队只能靠自己解决伸杆的问题。起初意大利对于要研制的伸杆,决定采用美国NASA为阿波罗登月研究的国际通用伸杆方案,而国内并不掌握这种技术。针对直线伸展方案,国内有相应的成熟方案,但其性能与卷筒机构方案性能相比很差。

张从发刚毕业进入工作岗位,领导便让他跟“张衡一号”卷筒机构项目。面对着创新和保守、优质和将就的选择,张从发决定选择艰难的那条路——自主研发。他坚定地说,美国要有的,咱们也一定要有。航天产品面对空间复杂的应用环境以及高可靠性的要求;另外,卷筒机构作为电场仪探测的伸杆,卷筒机构作为电场仪探测的基石一定“要稳”“要准”。空而电场仪的探测要求空间展开四面体上的相距十几米的任意两点之间的精度要小于几个毫米。

初生牛犊不怕虎,张从发明白自主研发的道路不好走,但是后面的路途远远比他想象得更加艰辛。这种弹性卷筒机构是一种薄壁、自储能、螺旋伸展的展开机构,由于其展开过程涉及大变形、自接触、干摩擦等诸多非线性问题,传统有限元分析方法已无法满足分析需求,机构设计过程缺少相应的设计准则,且常规成型方法仅能成形非重叠的等直径、等螺旋角产品,研制难度极大。此前该类弹性卷筒成形技术仅由美国掌握,处于国际垄断地位。张从发所在的团队原本想从美国引进,进而研制配套机构。而当美国知道弹性卷筒要在空间应用时,就果断对中国实行禁运。此前,对机械产品的禁运是很罕见的,张从发陷入深深的迷茫和失落之中。

研究仿佛进入了幽长黑暗的隧道,许久不见出口。而一次意外的经历,让张从发灵光一闪。看到花店服务员最后扎花时,下方的丝带自然成卷的过程,张从发得到了启发,他立即联系高校和科研院所,提出拉弯复合成形方法,制造了第一根伸杆。张从发说做出第一根伸杆时,自己“激动坏了”。就这样,隧道的尽头出现了光亮,研制团队实现了弹性卷筒的国产化,树立了国内直线伸展机构研制的一座里程碑。

 

星河灿烂,耀眼交大魂

张衡一号上卷筒机构全部展开完成时,西安飞控大厅响起了长期的掌声,型号总师与张从发进行了深情拥抱,张从发落下了眼泪。许许多多个日夜的寄托,终于在那一刻满载希望遨游星际。凌晨的北京航天城,张从发是科研夜归人,2018年累计加班时间达到1300多小时,甚至有一次做试验做到忘记时间,抬头一看已是早晨五点,那一刻张从发内心没有疲惫,只有试验成功的欢喜。因此,在看到“自己的孩子”终于展翅高飞的那一刻,眼泪无声落下,那是只有张从发明白的不易和欣慰。 

 

科研夜归人

     

做完实验,已至早晨

身为一个航天人,同心协力是航天的优秀传统。张从发说自己只不过是集体的普通一员,大家的拼搏和奋斗才是打开未来的钥匙;而作为一个交大人,张从发骄傲的是自己在拼搏和奋斗中诠释了交大人的综合能力。

在决定自主研发卷筒机构时,张从发想起的是在校学习时书记和校长一直提到的“选择了交大就是选择了责任”这句话,坚定地接过重担,决心为国家啃下这块硬骨头。材料出身,机械研究,航天为业,张从发一直铭记着身为交大人应当担负的责任,也展示了交大人过硬的综合素质。

故事还将继续书写下去,未来卷筒机构将在更多的航天型号中得到应用。在“嫦娥四号”的三根杆展开之后,同事们都在朋友圈刷屏,张从发激动地无以言表,只在手机上敲下了“感恩、感谢、期待”三个词,他已经在心中默默期待着未来,飞往火星的探测器将带着四根伸杆飞向更广袤的宇宙深处。

“张衡一号”飞上云端之际,张从发在心中默念:“孩子你飞吧,希望你飞得更高更远表现更完美”。是的,尽情飞翔吧,带着研发人的心血和骄傲,带着交大人的责任和担当,带着我们的中国梦想,于星河灿烂中,留下耀眼的足迹,书写崭新的篇章。

/史雪青