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太空近似真空,但太空腐蚀远大于地球?

浩瀚的宇宙中存在着无数的奥秘,它无时无刻不在吸引着人类去探索、发现。为了揭开其神秘面纱,世界各国相继借助于各种航天器访问太空,并建立了可供多名宇航员长期工作和生活的空间站。然而广袤无垠的宇宙环境非常不友好。复杂的太空环境不但对航天器的光机电系统带来了严峻的考验,而且对航天器的“外衣”也提出了严酷的要求。


一、不容忽视的太空腐蚀

和平号空间站是前苏联建筑的一个轨道空间站(苏联解体后归了俄罗斯),它是人类首个可长期居住的空间研究中心,和平号在 15 里共发生近 2000 处故障,70% 的外体遭到腐蚀,俄罗斯政府无力承担巨额的维修费用,在2001 年 3 月20 日不得不将其坠毁。还有美国著名的哥伦比亚号航天飞机在 2003年2月1 日折返途中丢失,尽管哥伦比亚号事故调查部(C A I B)排除了是航天器腐蚀造成事故的可能,但却提出了要求采取长期的腐蚀检测措施的议案。随着人类探索太空的脚步越来越快,越来越多涉足太阳系的其他星球,在这些星球航天器是否也会发生腐蚀呢?据介绍,科学家在火星大气上部被称为中间层的区域探测到了原子氧,另外还发现金星表面温度高达 400 多度,其云层则由腐蚀性较强的硫化物组成等。由此可见,太阳系其他星球的环境对航天器也是不友好的,这些因素都会加速航天器材料的腐蚀。


太空腐蚀几大杀手:辐射、氧、温度、太空垃圾、微生物

太空不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射,还有各种天体也在向外辐射电磁波,甚至许多天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。众所周知,宇航员出仓行走都要穿着厚厚的宇航服,主要就是为了避免强辐射太空环境带来的对人体的危害,其实,强辐射环境对航天器的伤害亦十分严重。其中,短波太阳辐射会导致氧分子分解,产生高活性原子氧, 原子氧具有极强的氧化性,可与空间飞行器的表面材料反应,尤其是当原子氧遇到聚合物材料时发生的反应更剧烈。原子氧所形成的高热能离子流足以使航天器材料中的许多化学键破裂,导致材料发生性能变化,例如使卫星、空间站等在轨航天器的保护层逐渐氧化变薄失效。即使是金属材料,在原子氧的作用下也会发生明显的腐蚀氧化。美国国家航空航天局(NASA)等科研机构所开展的飞行实验、长期暴露实验和有限期选择性暴露实验都进一步证实了这一点。太阳紫外线辐射是导致材料失效的另一重要因素。虽然仅占太阳光的5%左右的紫外线能量很大。由于缺少大气层对紫外线的阻挡,航天器在太空中会完全暴露在极强的紫外线辐射之下。当高分子聚合物制品吸收紫外线后会引发聚合物自我氧化、降解,破坏聚合物的化学键,使其断裂、交联,进而导致高分子聚合物制品颜色等外观发生改变和物理力学性能发生恶变、使用寿命缩短。此外,太空中极端的温度环境也会加速航天器材料的失效。航天器在太空中处于真空的环境下,由于没有空气传热和散热,受阳光直接照射的一面可产生高达100℃以上的高温,而太阳照射不到的另一面则可低于-200℃。极端温度和大幅度冷热交变会影响材料中的应力,尤其在高温环境中进一步加速导致材料失效的化学反应进程,降低材料的安全服役寿命。另外,大量的太空垃圾也严重影响材料的安全使用性能。太空垃圾又称空间碎片,是围绕地球轨道的无用人造物体,小到人造卫星碎片、漆片、粉尘,大到整个飞船残骸都属于太空垃圾。全世界超过4000次的发射任务,产生了大量的太空垃圾。这些以宇宙速度运行的太空垃圾一旦撞击到航空器表面,就能严重改变材料的表面性能;稍大的太空垃圾则会损坏航天器表面材料,形成撞击坑,撞击会使航天器表面材料汽化为等离子体云团,加速材料的失效进程。


在航天活动中,微生物一直是科学家们担心的问题之一。微生物通过各种途径进入航天器之后,会在舱内空气、材料表面和冷却水系统等处大量繁殖。微生物会腐蚀舱内材料以及设备线路、元器件;附着有微生物的漂浮性尘埃对舱内空气质量也会造成影响。空间科学试验发现,微重力和空间辐射等环境因素会使微生物生长繁殖能力增强、毒力增强、抗性增强,微生物代谢活性、细胞功能、基因表达发生变化。


二、为航天器穿上防腐衣

这样看来,航天器几乎无法避免太空环境下的金属腐蚀,甚至一艘航天飞机的制作和发射的成本远远低于维修所需要的成本,而为了更好地保证航天器的安全,降低其后期的维修成本,科学家们对航天器的防腐手段进行了各种研究:控制航天器在太空中发生腐蚀的主要方法包括:选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料;采用涂层和涂料技术。对于航天器外部腐蚀控制,最重要的技术是防护涂层,如电镀、化学镀、真空离子镀、阳极氧化、化学气相沉积、涂料等。通过表面处理技术形成新的表层,达到有效提高结构的耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化等性能。航天器微生物控制技术包括干热灭菌、辐射、活性化合物、物理清除等。其中就包括采用更适合太空环境的高性能材料,能够更加抵挡高温和极低温度,以及巨大温差带来的破坏,并且还要具有更抗氧化的性能。除此之外,还需要采用防护涂层和涂料的技术,比如电镀、真空离子镀等技术,在航天器的外壳表面通过相关技术形成新的表面,从而对航天器进行双重防护,提高外壳的性能,更加抗腐蚀、抗氧化等等。比如嫦娥3号上所使用的航天器材料,就是由我国自主研发而成的镁合金化学镀技术,以前的镁合金虽然因为质量较轻,成为了航天领域经常被用到的减重材料,但是在潮湿的空气中很容易发生氧化反应和金属腐蚀。我国研发出来的镁合金化学镀技术的耐腐蚀性比原本提高了4到5倍,同时也有着其他的高性能,成为了航天材料的优选。


三、结论

随着社会的进步和科学的发展,全世界的航空航天领域都在不断前进,这场太空的探索之路无疑是一片没有硝烟的战场,任何一个能在未来的航天领域占据先机的国家,都将在不远的太空时代抢占重要地位。而在太空探索的道路上,更加优良的、更具高性能的太空材料也会成为胜利的垫脚石。


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