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“嫦娥”奔月的“烦恼” 太空中存在的“腐蚀”问题

文章来源:金属研究所   发布时间:2019-04-23  【字号:     】  

  浩瀚无垠的宇宙中蕴藏着许多未知的奥秘,它仿佛拥有着巨大的魔力,吸引着人类不断探索。月球,是人类太空探险的第一步。但由于潮汐锁定现象,月球围绕地球的公转周期与其自转周期相同,导致人类在地球上始终只能观测到月球的“正面”。因此,多年以来,人类对月球背面的了解非常有限。直到2019年1月3日,嫦娥四号探测器自主着陆月球背面的冯·卡门撞击坑内,实现人类首次月背软着陆,并传回第一张月球背面的近距离影像。

  但“嫦娥”的奔月之旅其实并不轻松,甚至可谓是困难重重。其中,太空中材料的腐蚀就是令科学家们比较头疼的问题。

  说到腐蚀,大家可能并不陌生,因为在我们生活中,它每时每刻都在发生。例如:厨房铁锅的生锈,碳酸饮料对牙齿的腐蚀,街道护栏的风化开裂等等。可以说,腐蚀无时无刻不在影响着我们的生活。但有人可能会问,太空既然是高真空环境、没有水的存在,航天器应该不会像地球上那样腐蚀吧?但令人意想不到的是,与“温顺”的地球环境相比,真实的太空对航天器的“外衣”甚至威胁更大。

  举一个真实的例子,“和平号”空间站作为美俄国际空间站合作计划的一部分,是苏联建造的第一个轨道空间站(苏联解体后归太阳城娱乐)。据统计,它实际在轨工作的十多年时间里,共发生近2000处故障,其中70%的外体遭到腐蚀。

  那么,究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蚀失效呢?“嫦娥”奔月途中,到底会面临怎样严峻的考验呢?我们首先从太空中的环境说起。

  其实,太空的真实环境远没有科幻电影中描述的那般美好,到处都存在着人类肉眼所看不见的宇宙辐射。它既包括宇宙大爆炸后所残留的热辐射,也包括其他天体向外释放的电磁波、高能粒子甚至是宇宙射线。它们对人体的危害可以说是致命的。但由于地球磁场与大气层对宇宙辐射的偏折和吸收作用,才能保证人类在地球上的正常生活。可是,一旦脱离两者的保护,完全暴露在这种强辐射环境中,即便是穿着厚重的宇航服,也不能完全避免宇宙辐射对人体的伤害。当然,面对太空中如此高强度的辐射,航天器也会“深受其害”。

  其中,太阳所释放的紫外线辐射是引起航天器腐蚀失效的原因之一。尽管紫外线只占太阳光的5%左右,但是能量却很大。太空中,由于缺少地球磁场及大气层的“保护屏障”,航天器表面的高分子材料在吸收紫外线后会引发聚合物的自我氧化、降解。另外,紫外线中的单个光子所具有的能量足以破坏聚合物间的化学键,使其断裂、交联,从而导致聚合物材料性能的急剧下降。因此,为了尽可能的削弱宇宙辐射对航天器的影响,人类航天任务的发射甚至会刻意避开太阳耀斑活动频繁的时间周期。

  此外,当航天器刚刚脱离地球表面大气层的保护,首先接触的便是低地球轨道环境(距离地球200-700km),该区域所处的残余大气中,氧含量约占总组分的80%。众所周知,氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。而在太阳短波辐射的光致分解作用下,氧分子转变为高活性的原子氧,由于处于高真空及极低的气体总压状态下,氧原子与其他粒子发生碰撞的几率很小,导致氧原子很难再次复合成分子态。当高速运行的航天器与原子氧发生剧烈的摩擦、碰撞时,航天器表面的聚合物材料会发生高温氧化反应,使其电学、光学以及机械性能等方面发生退化,甚至会引起明显的剥蚀效应,严重影响航天器的运行安全。

  在“嫦娥”的太空旅行中,除了要面临宇宙辐射及原子氧的威胁外,还需要接受极为“苛刻”的温度挑战。自宇宙大爆炸起,太空中的温度便开始逐渐降低,在经历了150多亿年的演变后,目前的太空正处于极寒的环境中,平均温度只有约-270.3℃。并且,真空环境中,由于缺少空气的传热和散热,航天器表面受阳光直接照射的一面,其温度将高达100℃以上,而阳光照射不到的一面,温度则可低至-200℃。这种极端的温度条件和大幅度的冷热交变会影响材料的应力,并可能造成航天器“外衣”的断裂、分层甚至脆化,缩短其安全服役寿命。

  通过上面的介绍,我们可以发现,在如此复杂的太空环境中,航天器的腐蚀根本无法避免。并且,有关数据显示,一架航天飞机的维修成本甚至远高于其制作成本和发射成本。因此,采用科学的手段抑制航天器在太空中的腐蚀问题势在必行。

  首先便是选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料,世界各国的科学家也正为此努力探索。此外,结合不同材料的用途及其实际服役环境,采用合适的表面处理技术显得更为重要。因为性能优异的防护涂层不仅可以提高航天材料的功能性,包括耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化、抗辐射等,同时也可以延长航天器的使用寿命,节省维修成本。然而,与地面装备表面防护不同的是,由于有机涂层在真空环境中会出现放气、老化脱落等一系列问题,航天材料一般不会使用有机涂层进行防腐,而主要采用的表面技术包括化学/电化学沉积、化学/电化学氧化、无机涂层以及特种薄膜制备等等。

  镁合金,作为地球上最轻的金属结构材料,拥有比强度高、导电性强、电磁屏蔽性好等优点,在航天领域的使用上具有先天的优势。为了实现减重的目的,我们熟知的神州、天宫、嫦娥等系列航天器中,均大量使用镁合金。

  以此次发射的“嫦娥四号”探测器为例,其中,探月雷达、月球车巡视器、着陆器上许多重要电子设备的箱体结构所采用的就是镁合金,主要利用其减重、导电及优异的电磁屏蔽性能,可以有效地削弱外界电磁场对核心电路系统的干扰。但镁合金化学性质活泼,耐蚀性差,甚至在地面存放期间便会出现严重的腐蚀。因此,必须采用合理的表面处理方式,在满足其导电性及电磁屏蔽性能的基础上,有效提高其耐腐蚀能力。

  科学院金属研究所在这方面做了很多工作,科研团队自主研发的镁合金镀层具有防腐、导电、电磁屏蔽等多功能性,满足了航天器若干的使用要求,并在天宫、嫦娥等多个型号的航天器上使用。

  “嫦娥”的奔月成功只是人类探索太空的阶段性胜利,宇宙中仍有无数未知的奥秘等待着人类去揭晓。在未来的探索道路中,可能会暴露出更多太空中的“腐蚀”问题。让我们携手并进,砥砺前行,一步一步追寻属于我们的“太空梦”。




(责任编辑:侯茜)

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