“嫦娥钢”产自“科学岛”

本文转自：中国科学报

韩福生（左三）给学生讲解材料性能。姚洁/摄

■本报记者 王敏

安徽省合肥市西北郊的董铺水库之滨，有一座半岛。合肥人称其为“科学岛”，是中科院合肥物质科学研究院（以下简称合肥物质院）的所在地。

在这座静谧的小岛上，有一群科研人员，他们面向国家航天重大战略需求，自主开发出系列高性能新材料，解决探月、探火航天器着陆缓冲材料及器件的“卡脖子”问题。

这就是合肥物质院固体物理研究所（以下简称固体所）特种航天金属材料团队。2007年至2021年期间，该团队承担了探月工程二期（嫦娥三号、嫦娥四号）以及天问一号着陆缓冲系统关键核心材料的研制任务，并保障任务顺利实施。

寻找“不存在”的材料

2006年，中国探月工程项目启动不满3年，“绕、落、回”三步走战略仅仅踏出半步，嫦娥一号绕月探测器整装待发，二期“落”月研制任务刚刚进入方案设计阶段。

如何实现航天器在月面软着陆，是摆在探月工程团队面前的一道难题。

作为在泡沫金属领域深耕十余年的专家，特种航天金属材料团队负责人韩福生受邀参与航天器软着陆材料设计。航天五院总体部设计了当时国际上最为先进的“腿式着陆缓冲机构”，其中关键是要研发一种具备较高强度以及超高塑性的缓冲拉杆材料。

接到任务后，韩福生带领团队立刻开展了调研工作。然而他发现，几乎所有金属材料都不符合设计要求。常规超塑性合金需要苛刻的约束条件，可靠性难以保证；单晶材料塑性优异，但强度不足；复合材料强度可控，但塑性难以达到工程化要求；泡沫金属作为一种轻质缓冲吸能材料，吸能效率高，但难以达到结构设计要求。

也就是说，他们需要寻找一种“不存在”的材料。韩福生提出，既然无经验可循，那就从基础研究源头入手。

得益于固体所创建者、中科院院士葛庭燧在金属内耗领域的发明与长期耕耘，韩福生团队积累了丰富的研究经验和资料。他们从基础科学问题和关键过程技术研究入手，通过材料工艺调控，历时3年，研制出“高效吸能合金”材料。

韩福生介绍，这种材料最大拉伸长度可达自身长度的80%至110%，同时具备高强度、高塑性，满足探测器着陆的苛刻条件，成功保障了嫦娥三号、嫦娥四号在月球背面软着陆。

2019年，这种“不存在”的材料被命名为“嫦娥钢”。

被判“死缓”的拉杆

从无到有，从有到用，韩福生团队实现了从材料设计、材料研制到产品开发的“三级跳”。“三级跳”的背后，是团队成员无数个日夜努力钻研的结果。

2010年12月，合肥室外温度接近零下。

韩福生团队收到了一个更加“寒冷”的消息：他们提交给用户的2000件缓冲拉杆试验件中，有2件出现异常断裂。

“从科学研究角度来说，成功率已经非常高了。但是，对于航天任务而言，千分之一的不合格率，就意味着所有产品都不合格。”韩福生非常清楚航天器着陆关键材料的“苛刻”要求。

用户方提出必须根据“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”5个要求，限期完成质量问题归零工作。这意味着产品被判了“死缓”。

这不亚于让一支已经筋疲力尽的登山队伍从山脚重新攀登珠穆朗玛峰。瑕疵在哪里？难道从头再来？巨大的压力向韩福生和同事袭来。面对诸多问题，团队里有人开始焦虑，韩福生却没有时间焦虑。“我就想着早点找到问题、解决问题，切不可因为自身因素而影响整个探月工程任务的进程。”

经过6个月的努力，他们终于发现了问题发生的原因并有针对性地采取有效措施，如期向用户提交了拉杆产品质量归零报告。

2011年6月13日，韩福生前往北京参加评审答辩。20多位专家高度评价归零报告，拉杆产品通过审核。

事实上，从2006年开始，这样的艰难时刻，韩福生团队经历了无数次。数十次方案更换、上百次科学验证、无数个昼夜的埋头苦干，只为一个目标——万无一失。

让“嫦娥钢”走到百姓身边

2013年12月14日，嫦娥三号探测器在月球虹湾区顺利实现软着陆，中国航天器首次踏足地外天体，千百年来“嫦娥奔月”的梦想终成现实。

作为着陆缓冲机构中的关键重要部件，固体所“拉杆”成功完成了历史使命。那一刻，韩福生悬了近7年的心终于放下了。

2019年1月3日，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内， 固体所“拉杆”为人类探测器首次在月球背面软着陆作出重要贡献。

时隔两年，2021年，韩福生团队研发出性能显著提高的新一代“嫦娥钢”，成功助力天问一号在火星软着陆，实现了我国深空探测器着陆缓冲系统的完全自主化。

相关部门对研制工作予以高度评价，各种荣誉随之而来。韩福生个人被授予“探月工程嫦娥三号任务突出贡献者”称号；团队成果“高效吸能合金及其在航天器着陆缓冲机构中的应用”获安徽省科技进步奖一等奖；团队成员王幸福、赵莫迪分别被授予“首次火星探测任务先进个人”“探月工程嫦娥五号任务先进个人”称号。

韩福生表示，高效吸能合金材料综合性能突出、无磁、无低温韧脆转变，在很多领域具有无可替代的优势，在已经掌握核心知识产权的情况下，如果不能转化为民用，“实在太可惜”。

事实上，除了航天领域，“嫦娥钢”在民用领域的应用研究正在陆续开展。例如珠海大桥桥梁防护示范工程、包银铁路桥梁减震示范工程、超高速低真空管道式磁悬浮系统示范工程等。

目前，韩福生团队已拥有先进的特种金属材料设计、制备、加工以及检测平台。他相信，在不久的将来，“嫦娥钢”将走到百姓身边，在航天、民用等领域发挥更大作用。