2019年，美國前總統(tǒng)特朗普曾揚(yáng)言，美國將成為第一個把國旗插在火星上的國家。因?yàn)樵缭?0多年前，美國就把國旗插在了月球上，并打算在火星上延續(xù)這樣的輝煌。
但在2021年5月15日，在經(jīng)歷了300多天、近5億公里的飛行旅途后，我國的“天問一號”探測器成功展開了一面五星紅旗，這是第一面懸掛在火星上的國旗。不僅如此，由于使用了類似布一樣的材料，這面國旗還能在火星的“微風(fēng)中輕輕飄動”。
在周一發(fā)表在《力學(xué)進(jìn)展》上的一篇論文中，我國的研究人員首次分享了在火星上懸掛國旗的技術(shù)細(xì)節(jié)。這種制作國旗的新材料預(yù)計(jì)將用于航天飛行、小行星探索和其他空間基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。
月球探測車玉兔二號在中國國旗旁邊滾動穿過月球表面/3D模擬圖
一個能固定并展開國旗的機(jī)器人裝置通常需要幾個機(jī)械部件。這些金屬部件通常很重，會大大增加任務(wù)的成本和風(fēng)險。研究人員表示，只有低成本、輕量化和可靠的技術(shù)才能使“五星紅旗在火星上隨風(fēng)飄揚(yáng)”成為可能。
國旗的裝置重量不足200克，展開過程中沒有發(fā)動機(jī)或齒輪。它的關(guān)鍵移動部件是由一種智能聚合物制成的，這種聚合物可以在加熱時改變形狀。
這個裝置用一對類似橡膠帶的材料制成的扣來固定卷起的國旗。當(dāng)加熱時，鉤子伸直并松開國旗，使國旗在重力作用下自然下落和展開。
2008年，印在日本“隼鳥號”探測器甲板上的美國國旗圖像首次到達(dá)火星表面。2012年，美國的星條旗圖案在“好奇號”火星探測車執(zhí)行任務(wù)期間再次出現(xiàn)，當(dāng)時它出現(xiàn)在火星探測車的四個移動臂之一上。2020年，美國國旗被印在一個遙感桅桿的底部，并隨著“毅力號”探測器到達(dá)火星。
但是這些打印的圖像都不符合旗幟的定義，旗幟通常是由布料或類似材料制成的。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中心的項(xiàng)目首席科學(xué)家冷勁松和他的同事說:“在著陸平臺上釋放國旗的裝置，意味著中國成為世界上第一個將基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探索的國家。中國正在引領(lǐng)智能材料在太空的應(yīng)用?！?/strong>
這種聚合物可以自由地改變它的形狀，但在熱、電荷、磁力或化學(xué)溶液的影響下，它會恢復(fù)到“記憶形狀”。據(jù)中國研究人員稱，這是NASA目前不具備的技術(shù)。
在20世紀(jì)60年代，私營公司向美國宇航局提供了一種聚合物，作為航天項(xiàng)目中機(jī)械部件的低成本替代品。在接下來的幾十年里，美國宇航局還資助了一些生產(chǎn)聚合物原型的研究。
但這些項(xiàng)目并沒有啟動。因?yàn)檫@種聚合物對大多數(shù)應(yīng)用來說都太軟了，它的物理強(qiáng)度會隨著溫度的變化而顯著變化，在宇宙射線的輻射下會迅速老化。
在這之后，NASA繼續(xù)用合金制造機(jī)械部件，這種合金更重，生產(chǎn)成本也高得多。例如，詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的建造花了逾24年的時間，預(yù)算為100億美元。其存儲和釋放主鏡像的復(fù)雜機(jī)制造造成了延遲和高昂的成本。
對于中國來說，這種制造方式的成本太高。在國家的支持下，冷的團(tuán)隊(duì)花了20多年的時間來提高智能聚合物的性能，他們在材料中加入碳纖維以增強(qiáng)其強(qiáng)度。
他們提出了一種新的理論來預(yù)測其行為，在一些最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中測試候選材料，并與工廠合作以降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。
據(jù)冷的團(tuán)隊(duì)介紹，2016年，中國進(jìn)行了一項(xiàng)前所未有的太空實(shí)驗(yàn)，一個由智能聚合物制成的意大利面狀結(jié)構(gòu)變成了一塊木板。2020年，中國在地球靜止軌道上的一顆大型衛(wèi)星部署了世界上第一塊沒有任何物理接頭的太陽能電池板，軟膜在不到一分鐘的時間內(nèi)就擴(kuò)展了。
與傳統(tǒng)太陽能電池板不同的是，該裝置的展開過程不會引起任何有害的振動或沖擊。冷的團(tuán)隊(duì)表示，這種專利材料可能會讓中國在太空競賽中處于領(lǐng)先地位。“這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)將用于中國的空間站、月球探測項(xiàng)目、載人航天飛行、火星探測、木星探測、小行星探測和其他重大航空航天工程項(xiàng)目?！?/strong>
中國有大型太空基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的計(jì)劃，包括一個向地球發(fā)送高能量光束的太陽能發(fā)電站。這些基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目此前被認(rèn)為用現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)太過昂貴和復(fù)雜，但智能材料可以顯著降低這些項(xiàng)目的預(yù)算和風(fēng)險。
