中國粉體網(wǎng)訊 航天器在太空最怕什么？
腐蝕！
（來源：Pixabay）
航天器處于真空、無水的太空環(huán)境中也會(huì)被腐蝕嗎？其實(shí)，它所受到的腐蝕與我們理解的腐蝕有些相同，太空環(huán)境中的氣體分子或原子會(huì)吸附在材料表面，并通過化學(xué)反應(yīng)造成材料的腐蝕。比如，“和平號(hào)”空間站作為美俄國際空間站合作計(jì)劃的一部分，是前蘇聯(lián)建造的第一個(gè)軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸俄羅斯）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，它實(shí)際在軌工作的十多年時(shí)間里，共發(fā)生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。所以，太空“反腐”，至關(guān)重要！
太空腐蝕有三大殺手：輻射、氧、溫度！
輻射
太空到處都存在著人類肉眼所看不見的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時(shí)也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。由于地球磁場(chǎng)與大氣層對(duì)宇宙輻射的偏折和吸收作用，才能保證人類在地球上的正常生活�？墒牵坏┟撾x兩者的保護(hù)，完全暴露在這種強(qiáng)輻射環(huán)境中，即便是穿著厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙輻射對(duì)人體的傷害。面對(duì)太空中如此高強(qiáng)度的輻射，航天器也會(huì)“深受其害”。
此外，未來的航天活動(dòng)必然要向高軌道，乃至更遠(yuǎn)更深的空間發(fā)展。而空間輻射環(huán)境是影響未來航天活動(dòng)的一個(gè)重要因素。對(duì)于在地球附近運(yùn)行的諸如“國際空間站”等低軌道航天器，由于受地球磁場(chǎng)的天然保護(hù)而遭受空間輻射的損害較少，而暴露在地磁層之外的空間則充滿了高能量的混合空間輻射場(chǎng)。此輻射場(chǎng)中的高能粒子等將可能穿透航天器的防護(hù)層，從而給航天器設(shè)備及航天員等帶來致命的危害。傳統(tǒng)的被動(dòng)防護(hù)方法（增加質(zhì)量屏蔽厚度）可以使航天員等盡量少受輻射的危害，但增加艙壁厚度的代價(jià)很高。
（來源：Pixabay）
太陽所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場(chǎng)及大氣層的“保護(hù)屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會(huì)引發(fā)聚合物的自我氧化、降解。
此時(shí)，防輻射的陶瓷涂層或陶瓷纖維就可以派上用場(chǎng)了，如采用特殊的噴涂技術(shù)將陶瓷等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，噴涂到航天器及重要設(shè)備上表面，可有效降低太空輻射對(duì)航天器的傷害。
氧
航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護(hù)時(shí)，首先接觸的便是低地球軌道環(huán)境（距離地球200-700km），該區(qū)域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚缘脑友�，由于處于高真空及極低的氣體總壓狀態(tài)下，氧原子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，導(dǎo)致氧原子很難再次復(fù)合成分子態(tài)。當(dāng)高速運(yùn)行的航天器與原子氧發(fā)生劇烈的摩擦、碰撞時(shí)，航天器表面的聚合物材料會(huì)發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，使其電學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能等方面發(fā)生退化，甚至?xí)鹈黠@的剝蝕效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的運(yùn)行安全。
1995年，Sil-verman在美國國家航天局(NASA)提交的研究報(bào)告中給出了空間環(huán)境因素對(duì)飛行任務(wù)的影響程度，其中對(duì)低地球軌環(huán)境影響最大的是原子氧。包覆航天器外表面大部分區(qū)域的多層隔熱組件，其面膜多是有金屬涂層的聚合物薄膜。在低地球軌環(huán)境，雖然原子氧的密度并不高，但撞擊到高速飛行的航天器表面的原子氧的能量約為4.5eV，這會(huì)引起聚合物的氧化和粘結(jié)破壞。保護(hù)熱控材料免受原子氧侵蝕的方法一般是在其外表面包覆SiOx薄膜、氧化銦錫(IndiumTinOxides，ITO)透明導(dǎo)電膜等。
溫度
在航天器的太空旅行中，除了要面臨宇宙輻射及原子氧的威脅外，還需要接受極為“苛刻”的溫度挑戰(zhàn)。真空環(huán)境中，由于缺少空氣的傳熱和散熱，航天器表面受陽光直接照射的一面，其溫度將高達(dá)100℃以上，而陽光照射不到的一面，溫度則可低至-200℃。這種極端的溫度條件和大幅度的冷熱交變會(huì)影響材料的應(yīng)力，并可能造成航天器“外衣”的斷裂、分層甚至脆化，極大的縮短其安全服役壽命。
另一方面，航天器超高速在大氣中飛行時(shí)，由于激波壓縮、粘性摩擦等作用，造成壁面附近氣溫升高，高溫空氣不斷向低溫壁面?zhèn)鳠�，引起�?qiáng)烈的氣動(dòng)加熱。對(duì)航天器外表面的耐磨與耐熱是個(gè)極大的考驗(yàn)。
HfB2、ZrB2、ZrC等陶瓷材料可以用于超高溫陶瓷涂層。隨著超高聲速飛行器的發(fā)展，對(duì)其表面抗燒蝕和抗大氣沖刷的要求也越來越高，HfB2、ZrB2、ZrC等超高溫陶瓷作為高溫涂層材料對(duì)提升飛行器表面的抗燒蝕和抗沖刷能力有著不可替代的作用。
總結(jié)
要想盡大可能的避免太空腐蝕，就要選擇抗輻射、抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的材料。通過使用合適的結(jié)構(gòu)材料與表面涂層材料是最為關(guān)鍵的。而陶瓷除了具備抗輻射、抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高強(qiáng)度、高硬度、耐酸堿、理化性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，是一種十分重要的航空航天材料。
例如，新型碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，具有重量輕、比剛度好、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，被用于“祝融號(hào)”機(jī)殼的一部分，助力我國自行研制的“天問一號(hào)”開展火星探測(cè)。
由上海交通大學(xué)研制的納米陶瓷鋁合金將陶瓷和鋁結(jié)合起來，兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度和剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金。據(jù)了解，該材料已經(jīng)用于天宮一號(hào)、天宮二號(hào)、量子衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等關(guān)鍵部件翱翔于太空。
參考來源：
[1]陳世適.“四極型”防輻射航天器構(gòu)架設(shè)想
[2]石進(jìn)峰等.多層隔熱材料飛行試驗(yàn)研究綜述
[3]科學(xué)大院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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