經(jīng)過約19小時月面工作，探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣，12月3日23時10分，上升器帶著月球“土特產(chǎn)”順利升空，踏上返航之旅。

在完成采樣任務上升起飛前，著陸器攜帶的一面“織物版”五星紅旗在月面成功展開，這是我國在月球表面首次實現(xiàn)國旗的“獨立展示”，也標志著月面國旗展示系統(tǒng)圓滿成功。

這是繼2013年12月15日嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車完美互拍實現(xiàn)中國國旗首次亮相月球，和2018年12月8日嫦娥四號探測器將國旗帶向月球背面后的又一次在月球表面的成功展示，也讓中國探測器在月球上再次打上“中國標識”。

但是，嫦娥五號探測器國旗展示的方式與“嫦娥三號”和“嫦娥四號”有很大不同，且研制難度又邁上了一個大臺階。中國航天科工集團航天三江九部作為“嫦娥五號”月面國旗展示系統(tǒng)的研制單位，為了研制這套與眾不同的國旗展示系統(tǒng)，經(jīng)歷了諸多挑戰(zhàn)，克服了諸多困難。

選材花費時間超過1年

嫦娥五號月面國旗展示系統(tǒng)是有效載荷分系統(tǒng)的組成單機之一，也是有效載荷分系統(tǒng)唯一一個關(guān)鍵項目。與“嫦娥三號”“嫦娥四號”以及玉兔月球車上的國旗采用噴涂方式不同，“嫦娥五號”國旗則是一面真正的旗幟。

由于宇宙擁有很強的電磁輻射，以及月球表面有著正負150攝氏度的溫差等惡劣環(huán)境，這就決定了普通國旗無法在月球上使用。

在國旗展示系統(tǒng)立項初期，科研團隊為此設計了多種展示形式，既有記憶合金展示方案、伺服升旗方案、機構(gòu)展示方案等通過卷軸形式展開國旗，也有通過折扇形式展開國旗等方案，但通過高低溫試驗后發(fā)現(xiàn)，只有卷軸形式展開的國旗比較平整，不會出現(xiàn)褶皺等情況。

但是，如何保證國旗展開時擁有足夠的強度，保持平整，研制團隊圍繞這一問題做了很多理論研究和模擬試驗。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，雖然有些纖維材料的強度很高，但染色性能較差，染色性能較好的纖維材料，強度又達不到要求，因此，單一纖維和紡織工藝都無法滿足月面環(huán)境的要求。同時，還要保證國旗卷起時在正負150攝氏度溫差環(huán)境下不能粘連在一起。

國旗展示系統(tǒng)項目指揮馬威表示，“國旗展示系統(tǒng)是艙外單機系統(tǒng)，自運載火箭拋掉整流罩后，從地月轉(zhuǎn)移軌道進入月球軌道，再到探測器著陸在月球上，它都一直暴露在極端惡劣環(huán)境中。我們通過試驗發(fā)現(xiàn)，如果把地球上使用的國旗放在月球上，它的顏色在很短時間內(nèi)就會褪色、串色，甚至分解。”

對于首次接受宇航研制任務的該團隊來講，完全是摸著石頭過河，其巨大的技術(shù)難題擺在了眼前。為保質(zhì)保量完成研制任務，研制團隊不畏艱難，一邊地毯式查閱文獻資料，一邊廣泛開展調(diào)研論證，攜手國內(nèi)優(yōu)勢單位開展關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。為此，他們只好走出去與大學和科研機構(gòu)合作，咨詢眾多國內(nèi)知名的紡織企業(yè)，尋找適合在月球上使用的纖維材料。

國旗展示系統(tǒng)技術(shù)負責人程昌表示，科研團隊在選材上花費的時間就超過1年，最終挑選出了二三十種纖維材料，然后通過做包括熱匹配性，耐高低溫、防靜電、防月球塵埃等在內(nèi)的物理試驗，科研團隊最終決定采用某新型復合材料，這樣既能滿足強度要求，又能滿足染色性能要求，從而保證國旗能夠抵御月表惡劣的環(huán)境，做到不褪色，不串色、不變形。

用馬威的話來講，雖然只是一面薄薄的國旗，但科技含量十分高。

整個系統(tǒng)重量控制在1公斤

“嫦娥五號”國旗平面運動包絡將近2000mm×900mm，整個系統(tǒng)的重量只有1公斤。馬威表示，選擇這樣的旗面尺寸是研制團隊經(jīng)過綜合考慮的結(jié)果，目的是盡量突出視場效果，讓相機拍出來的照片即能看到月表一部分，深空一部分，也能看到著陸器的一部分，如果國旗太大或太小，照片都無法呈現(xiàn)出豐富的元素。

由于“嫦娥五號”國旗展示系統(tǒng)的重量只有1公斤，研制團隊圍繞整個系統(tǒng)在減重問題上下了大量工夫，不僅材料要輕質(zhì)化，而且還要對設備進行“瘦身”。面對月表惡劣的溫差環(huán)境，也對國旗展示系統(tǒng)的工藝設計、集成設計提出了很高要求。

國旗展示系統(tǒng)立項時，研制團隊先后論證過采用四級桿、三級桿和二級桿來作為國旗的方案，但考慮到復雜性和重量等原因，最終選擇使用二級桿的方式來呈現(xiàn)。

國旗展示系統(tǒng)項目負責人李云峰表示，“我們之所以采用桿系結(jié)構(gòu)方案，是因為它在航天系統(tǒng)里算比較成熟的技術(shù)，包括衛(wèi)星、飛船等航天器的太陽能電池帆板展開，使用的都是桿系結(jié)構(gòu)，其目的就是保證可靠性。”

另外，為了控制整個國旗展示系統(tǒng)的重量，研制團隊還對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，在選取耐高溫、抗嚴寒材料的基礎(chǔ)上盡量將支架臂做薄、做小。

國旗展示系統(tǒng)使用的支架結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境中要承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環(huán)境考驗，如果選材不當，可能會發(fā)生冷焊(即兩塊接觸金屬在太空極低真空環(huán)境下會粘連一起)，由此帶來的問題是機構(gòu)不能正常工作或打開。

李云峰表示，“為了解決冷焊問題，我們對系統(tǒng)所有的機構(gòu)和關(guān)鍵位置都進行了防冷焊處理，以保證部件能滿足太空環(huán)境和月表對溫度的要求�？梢哉f，我們?yōu)榱藢�國旗展示系統(tǒng)的重量控制在1公斤，整個研制團隊做出了不懈努力。”

多種試驗確保機構(gòu)成功開展

保證可靠性是整個國旗展示系統(tǒng)的第一任務，整套系統(tǒng)涉及解鎖、支架展開、支架固定等步驟，如果支架無法在月球上成功展開，一切都將前功盡棄。

李云峰表示，“每一個動作都要確保工作正常，而且這一系列動作都必須在1秒鐘內(nèi)完成。所以，我們的工作是責任重大、使命光榮。”

火工品是整個國旗展示系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的一環(huán)，如果它無法起爆解鎖，后續(xù)動作就無從談起。因此，負責機構(gòu)解鎖的火工品爆炸裝置成為了關(guān)鍵。

程昌表示，國旗展示系統(tǒng)使用的火工品在國內(nèi)同等用途和功能中屬于最小之一。小，意味著它對環(huán)境適應性十分敏感，稍有不慎就可能失效，尤其是面對月球惡劣的溫差環(huán)境，更需要保證地面給它指令時就能成功起爆。

面對這一難題，研制團隊通過將火工品放在-200攝氏度左右的液氮罐里和高溫環(huán)境下進行了幾十次試驗，模擬它在月球極大溫差環(huán)境下能否正常使用。

與此同時，在國旗展示系統(tǒng)中與火工品同樣重要的2根扭簧則是機構(gòu)支架展開的關(guān)鍵動力源。

彈簧的彈性系數(shù)在-5攝氏度到25攝氏度的范圍內(nèi)一般不會發(fā)生變化，如果超過100攝氏度和低于-30攝氏度都會導致彈簧材料的強度降低，彈性系數(shù)也隨之降低。

工業(yè)中設備中常用的扭簧肯定無法滿足國旗展示系統(tǒng)展開機構(gòu)的要求，為此，研制團隊專門找到彈簧生產(chǎn)廠家按照要求專門訂制，然后在試驗室里對其進行高低溫、長期壓緊、拉伸等試驗，經(jīng)常觀察它的力學變化情況，以保證扭簧的可靠性。

文/中國航天報記者 唐明軍