太空里也需要“防腐”?

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浩瀚的宇宙中存在着无数的奥秘,它无时无刻沒有吸引着人类去探索、发现。为了揭开其神秘面纱,世界各国相继借有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化活的空间站。广袤无垠的宇宙是都有最理想的世外桃源呢?很遗憾,太空的真实环境非常不友好!

繁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,有时候对航天器的“外衣”也提出了严酷的要求。另一个人可能认为,太空既然是高真空环境、这么水存在,航天器应该后会像地球上那样存在腐蚀吧。然而,事实无须这么。

浩瀚的太空及太空中飞行的航天器

——不容忽视的太空腐蚀——   

给你们你们你们 都先来看有一五个 例子。

和平号空间站是前苏联建筑的有一五个 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,在长达15年的在轨时间里,和平号共存在近800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801年3月20日不得不将其坠毁。

美国的哥伦比亚号航天飞机,803年在执行完任务返回地面途中不幸失事,机组成员完整失踪

还有美国著名的哥伦比亚号航天飞机的例子,美国哥伦比亚号和空间运输系统-107机组人员于803年2月1日折返途中丢失,尽管哥伦比亚号事故调查部(CAIB)排除了是航天器腐蚀造成事故的可能,但提出了要求采取长期的腐蚀检测最好的办法的议案。可见,航天领域的腐蚀不容忽视。

人类探索太空的脚步这么快,不多涉足太阳系的其他星球,在那此星球航天器是有无也会存在腐蚀呢?据介绍,科学家在火星大气上部被称为上方层的区域探测到了原子氧,另外,发现金星下皮 温度高达80多度,其云层由有毒的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,那此因素都有加速航天器材料的腐蚀。

这么,太空中究竟有那此环境因素会对航天器造成腐蚀呢?

——太空环境中的腐蚀因素——

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,甚至其他天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。众所周知,宇航员出仓行走都有穿着厚厚的宇航服,主要只是为了出理 强辐射太空环境带来的对人体的危害,觉得,强辐射环境对航天器的伤害亦十分严重。

其中,短波太阳辐射会原因分析分析氧分子分解,产生高活性原子氧,原子氧具有极强的氧化性,可与空间飞行器的下皮 材料反应,尤其是当原子氧遇到聚合物材料,存在的反应更剧烈。原子氧所形成的高热能离子流足以使航天器材料中的其他化学键破裂,原因分析分析材料存在性能变化,类似于使卫星、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存在明显的腐蚀氧化。NASA(美国国家航空航天局)等科研机构所开展的飞行实验、长期暴露实验和有限期选着性暴露实验都进一步证实了这一点,我国的实验室都有相关实验数据支撑。

太阳紫外线辐射是原因分析分析材料失效的另一重要因素。紫外线觉得仅占太阳光的5%左右,但能量却很大。在太空中,可能缺少大气层对紫外线的阻挡,航天器会完整暴露在极强的紫外线辐射之下。高分子聚合物制品吸收紫外线后,能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,进而原因分析分析高分子聚合物制品颜色等外观存在改变和物理力学性能存在恶变、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。航天器在太空中飞行,存在真空的环境下,可能这么空气传热和散热,故其受阳光直接照射的一面可产生高达80℃以上的高温,而太阳照射只有的另一面,温度则可低于-80℃。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原因分析分析材料失效的化学反应系统系统进程,降低材料的安全服役寿命。

太空垃圾包围下的地球

此外,絮状存在的太空垃圾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。全世界各国共执行了超过800次的发射任务,产生了絮状的太空垃圾。太空垃圾以宇宙效率运行,极小的太空垃圾数量较多,一旦撞击到航空器下皮 ,能严重改变材料的下皮 性能;稍大的太空垃圾会损坏航天器下皮 材料,形成撞击坑,那此撞击会使航天器下皮 材料汽化为等离子体云团,加速材料的失效系统系统进程。

——太空防腐:为航天器穿上保护衣——

通过上方的介绍,你们你们你们 都都时要看得人,可能航天器在这么繁杂的太空环境中长期运行,腐蚀只是无法出理 的。

为了确保航天器的安全运行,世界各国材料方面的科学家对减少航天器材料腐蚀这一课题进行了积极的研究和探索。

研究表明,控制航天器在太空中存在腐蚀的主要最好的办法包括:选着和发展耐热、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。对于航天器內部腐蚀控制,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。通过下皮 出理 技术形成新的下皮 ,可有效提高內部的耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化等性能。

我国的众多航天型号神舟、天宫、嫦娥等都时要出理 腐蚀防护间题图片,包括地面存放时不存在腐蚀,太空使用环境中并能抵抗太空原子氧腐蚀,一并要满足电磁屏蔽、冷热循环等综合性能要求。为了实现减重,航天器使用絮状轻合金,镁合金是减重常用材料,但其腐蚀间题图片成为关键技术间题图片。

中国科学院金属研究所这方面做了不多工作,科研团队自主研发的镁合金化学镀技术在满足了若干航天器的使用要求,下图是在嫦娥三号上使用的采用化学镀技术出理 后的镁质航天器部件。

嫦娥三号探测器及化学镀后的嫦娥三号用镁质航天器部件

此外,针对不同使用条件下部件对耐腐蚀性的不同要求,金属所科研人员研究的镁合金自封孔型微弧氧化技术耐蚀性比传统技术提高4~5倍,可一并满足地面储存耐腐蚀、使用时高低温、强辐射等综合性能要求,已在长征系列运载火箭的镁质贯组支架上使用。那此航天器的成功发射也证明了以上防护涂层技术的安全可靠性和先进性。

微弧氧化防护后的长征火箭用镁质贯组支架

太空中针对航天器的破坏无时无刻沒有,这是这么硝烟的战场。给你们你们你们 都行动起来,利用其他人的聪明才智,在人类探索宇宙的过程中留下一串深深的足迹……

(原作者:中国科学院金属研究所,宋影伟;中国科学院金属研究所/中国科学院沈阳分院 韩恩厚)