力学所柔性应变传感器研究助力我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功着陆

2021年5月15日7时18分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器的着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，顺利完成了“绕、落、巡”三大任务中“落”的任务。力学所苏业旺团队的柔性应变传感器研究为此次火星探测器的成功降落做出了积极贡献。

在着陆过程中（“落”），火星探测器需要在约9分钟内将约5km/s的超高速降低到零，因此何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制。“天问一号”任务采用的减速方式分为四个阶段进行（图1）。第一阶段：探测器利用自身气动外形减速，将速度从约5 km/s迅速降低到500m/s以内；第二阶段：探测器打开降落伞，进一步将速度降到100 m/s以内；第三阶段：探测器的反推发动机开始工作，进一步将速度降到3.6 m/s以下；第四阶段：当探测器距离火星表面约100 m高时，开始悬停避障，选择合适区域完成降落。其中第二阶段所使用的降落伞主要由柔软的织物制成，若应变过大将发生破坏。在地面验证实验中，工程人员需要测量降落伞绳的应变，得到应变不均匀程度和危险位置，从而优化降落伞设计。然而，传统应变传感器的刚度较大，无法满足与伞绳保持动态共形贴合的要求。

力学所非线性力学国家重点实验室柔性结构与器件力学研究团队研制出一种基于力学结构设计的线性度高、重复性好且温度敏感性低的柔性应变传感器，并协助中国空间技术研究院北京空间机电研究所于2019年完成降落伞的部分地面验证实验（图2），在风洞内巨大温度变化、高速气流冲击和伞体剧烈晃动的情况下，对缩比降落伞的伞绳应变进行了实时监测，为降落伞优化设计提供了指导意见。此类基于力学结构设计的柔性应变传感器未来将在我国航天领域的智能化技术革新方面发挥更多重要作用。

图1 “天问一号”探测器着陆过程

图2 柔性应变传感器用于“天问一号”降落伞地面验证试验