如何让五星红旗在月球上飘扬

2020年12月3日，嫦娥五号在月球成功着陆，一面鲜艳的五星红旗在嫦娥五号探测器上徐徐展开。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”，根据回传影像显示，五星红旗在阳光照耀下，“中国红”格外鲜艳。

虽然只是一面薄薄的国旗，但科技含量非常高。与嫦娥三号、嫦娥四号以及玉兔月球车上的国旗采用喷涂方式不同，嫦娥五号国旗则是一面真正的旗帜。

▲2020年12月4日，国家航天局公布了探月工程嫦娥五号探测器在月球表面国旗展示的照片。嫦娥五号着陆器和上升器组合体全景相机环拍成像，五星红旗在月面成功展开，此外图像上方可见已完成表取采样的机械臂及采样器。（新华社发 国家航天局供图）

▲ 2020年12月17日北京航天飞行控制中心的工作人员搜索嫦娥五号返回器。（新华社记者 金立旺摄）

由于宇宙拥有很强的电磁辐射，以及月球表面有着正负150摄氏度的温差等恶劣环境，这就决定了普通国旗无法在月球上使用。

在国旗展示系统立项初期，科研团队设计了多种展示形式，既有记忆合金展示方案、伺服升旗方案、机构展示方案等通过卷轴形式展开国旗，也有通过折扇形式展开国旗等方案，但通过高低温试验后发现，只有卷轴形式展开的国旗比较平整，不会出现褶皱等情况。

但是，如何保证国旗展开时拥有足够的强度，保持平整？研制团队围绕这一问题做了很多理论研究和模拟试验。他们在研究中发现，虽然有些纤维材料的强度很高，但染色性能较差，染色性能较好的纤维材料，强度又达不到要求，因此，单一纤维和纺织工艺都无法满足月面环境的要求。同时，还要保证国旗卷起时在正负150摄氏度温差环境下不能粘连在一起。

国旗展示系统是舱外单机系统，自运载火箭抛掉整流罩后，从地月转移轨道进入月球轨道，再到探测器着陆在月球上，它都一直暴露在极端恶劣环境中。试验发现，如果把地球上使用的国旗放在月球上，它的颜色在很短时间内就会褪色、串色，甚至分解。

研究团队首次接受宇航研制任务，完全是摸着石头过河。为保质保量完成研制任务，研制团队不畏艰难，一边地毯式查阅文献资料，一边广泛开展调研论证，走出去与大学和科研机构合作，咨询众多国内知名的纺织企业，寻找合适的材料。

科研团队在选材上花费的时间就超过1年，最终挑选出了二三十种纤维材料，然后通过做包括热匹配性，耐高低温、防静电、防月球尘埃等在内的物理试验,科研团队最终决定采用某新型复合材料，既能满足强度要求，又能满足染色性能要求，保证国旗能够抵御月表恶劣的环境，不褪色、不串色、不变形。

国旗能够实现独立展示，主要依靠月面国旗展示系统辅助。该系统由月面国旗、压紧释放装置、展开机构三部分组成，长约半米。系统在折叠状态下随探测器升空，着陆月球后按照指令解锁打开。

国旗展示系统布置在着陆器舱外，热环境、空间环境等条件恶劣，需采取多种环境适应性措施确保其正常工作。

为使全景相机获取元素丰富、比例协调的国旗照片，国旗展示系统需要在打开时伸出探测器，并提供较大的旗面尺寸和良好的旗面拍摄角度。

在满足上述功能要求的同时，国旗展示系统还需采取轻小型化设计措施，对系统重量有极为严格的要求。国旗平面运动包络将近2000mm×900mm，整个系统的重量只有1公斤。

选择这样的旗面尺寸是研制团队经过综合考虑的结果，目的是尽量突出视场效果，让相机拍出来的照片即能看到月表一部分，深空一部分，也能看到着陆器的一部分，如果国旗太大或太小，照片都无法呈现出丰富的元素。

由于嫦娥五号国旗展示系统的重量只有1公斤，研制团队围绕整个系统在减重问题上下了大量功夫，不仅材料要轻质化，而且还要对设备进行“瘦身”。面对月表恶劣的温差环境，也对国旗展示系统的工艺设计、集成设计提出了很高要求。

国旗展示系统立项时，研制团队先后论证过采用四级杆、三级杆和二级杆来作为国旗的方案，但考虑到复杂性和重量等原因，最终选择使用二级杆的方式来呈现。(www.xing528.com)

之所以采用杆系结构方案，是因为它在航天系统里算比较成熟的技术，包括卫星、飞船等航天器的太阳能电池帆板展开，使用的都是杆系结构，保证可靠。

▲ 这是嫦娥三号着陆器及器载五星红旗图片。该图是由月球车上全景相机拍摄的。(2013年12月22日）(新华社发 国防科工局供图）

为了控制整个系统的重量，研制团队还对结构进行了优化设计，在选取耐高温、抗严寒材料的基础上尽量将支架臂做薄、做小。

国旗展示系统使用的支架结构在空间环境中要承受冷热交变、空间辐照、极低真空等恶劣环境考验，如果选材不当，可能会发生冷焊^[1]，进而导致机构不能正常工作或打开。为了解决冷焊问题，研制团队对系统所有的机构和关键位置都进行了防冷焊处理，以保证部件能满足太空环境和月表对温度的要求。为了将国旗展示系统的重量控制在1公斤，整个研制团队做出了不懈努力。

保证可靠性是整个国旗展示系统的第一任务，整套系统涉及解锁、支架展开、支架固定等步骤，如果支架无法在月球上成功展开，一切都将前功尽弃。

每一个动作都要确保工作正常，而且这一系列动作都必须在1秒钟内完成。

火工品是整个国旗展示系统中最基础的一环，如果它无法起爆解锁，后续动作就无从谈起。因此，负责机构解锁的火工品爆炸装置成为了关键。

国旗展示系统使用的火工品在国内同等用途和功能中属于最小之一。小，意味着它对环境适应性十分敏感，稍有不慎就可能失效，尤其是面对月球恶劣的温差环境，更需要保证地面给它指令时就能成功起爆。

研制团队将火工品放在-200摄氏度左右的液氮罐里和高温环境下进行了几十次试验，模拟它在月球极大温差环境下能否正常使用。

与此同时，在国旗展示系统中与火工品同样重要的2根扭簧则是机构支架展开的关键动力源。

弹簧的弹性系数在-5摄氏度到25摄氏度的范围内一般不会发生变化，如果超过100摄氏度和低于-30摄氏度都会导致弹簧材料的强度降低，弹性系数也随之降低。

设备中常用的扭簧肯定无法满足国旗展示系统展开机构的要求，为此，研制团队专门找到弹簧生产厂家按照要求专门订制，然后在试验室里对其进行高低温、长期压紧、拉伸等试验，以及经常观察它的力学变化情况，以保证扭簧的可靠性。

为解决舱外极端空间环境适应性、高可靠高安全性压紧解锁展开和轻小型化的技术难点，研制团队从系统设计、材料选用、加工工艺等各个方面进行大胆创新和科学验证，一一攻破月面展开难题。为确保万无一失，团队开展了大量试验和测试，确保产品不带疑点上天，圆满完成了任务。

【注释】

[1]即两块接触金属在太空极低真空环境下会粘连一起。