載人航天器密封艙內(nèi)非金屬材料控制

俞 進(jìn)，于 瀟，魏傳鋒

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙內(nèi)使用了大量種類不同的非金屬材料，其性能、用途各不相同。在密封環(huán)境條件下，如果材料選擇不當(dāng)，可能會釋放有害氣體，也可能被引燃，或因老化而構(gòu)成潛在安全隱患，對航天員的健康和正常工作造成威脅。因此，載人航天器必須對非金屬材料的選擇、使用進(jìn)行控制。本文參考國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和做法，提出了載人航天器非金屬材料選用原則、控制措施和試驗驗證方案。

1 國外對非金屬材料控制情況介紹

1.1 美國對非金屬材料的控制

美國NASA對非金屬材料控制方面有系統(tǒng)的要求和嚴(yán)格的規(guī)定。在NASA-STD-6001[1]中對可燃環(huán)境中非金屬材料的可燃性、氣味、逸出氣體和相容性提出了相關(guān)要求與測試方法：載人航天器可居住環(huán)境部位（包括飛行器、裝載設(shè)備及試驗設(shè)備等）所用材料都必須進(jìn)行可燃性、氣味和逸出氣體的測試；用于其他部位的所有材料必須進(jìn)行可燃性評估測試。此外，當(dāng)材料暴露于液氧或其他可起反應(yīng)的液體環(huán)境時，必須評估其與液體的相容性；暴露于增壓供氧環(huán)境的材料必須進(jìn)行氣味和逸出氣體的評估測試等。根據(jù)測試試驗結(jié)果，NASA建立了非金屬材料的禁用、限用材料的數(shù)據(jù)庫。只有試驗結(jié)果合格的材料才允許使用[2-3]。

1.2 歐洲對非金屬材料的控制

歐洲對非金屬材料控制同樣制定了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，在ECSS-Q-70《材料、機(jī)械零件和工藝》[4]中提出了材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，以及評價、確認(rèn)和鑒定（或鑒定試驗）程序等。

材料選擇時考慮溫度、熱循環(huán)、真空、細(xì)菌和真菌繁殖、輻射、雷擊、電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、原子氧、微流星體和空間碎片、機(jī)械接觸表面作用（冷焊、磨損）等環(huán)境因素，以及可燃性、放氣性、毒性、液體相容性、電化學(xué)相容性、電荷和防靜電、吸濕性和壽命等材料特性。

1.3 俄羅斯對非金屬材料的控制

俄羅斯材料試驗的公開文獻(xiàn)很少。在與其航天專家交流的過程中了解到，關(guān)于非金屬材料方面的內(nèi)容在俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)《載人航天器中航天員的居住環(huán)境（醫(yī)學(xué)－工程總要求）》[5]和《關(guān)于建立載人空間飛行器乘員艙防火安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的說明報告》[6]中有所體現(xiàn)。前者提出了載人航天器居住艙采用的非金屬材料及其選用要求。后者提出了對非金屬材料阻燃方面的要求，包括常規(guī)重力和微重力工況下的耐火參數(shù)要求等。

在試驗的實施方面，俄羅斯對載人航天器內(nèi)的主要非金屬材料進(jìn)行了常規(guī)重力和微重力環(huán)境下的阻燃試驗，通過比對試驗結(jié)果判定艙內(nèi)不同類別非金屬材料的阻燃特性，從而確認(rèn)其是否能在航天器上使用。

2 非金屬材料選用及控制措施

按照國外的載人航天器非金屬材料控制經(jīng)驗，應(yīng)首先確定非金屬材料選用原則，劃分出非金屬材料選用范圍。然后根據(jù)非金屬材料的使用環(huán)境，制定非金屬材料篩選試驗項目及試驗要求。

2.1 選用原則

1）材料的防火、防靜電及阻燃性能好；2）材料的熱穩(wěn)定性好；

3）材料使用過程中無污染組分脫出；

4）材料脫出物不影響光學(xué)表面和電子元器件正常工作；

5）材料不存在因相互作用形成易燃、易爆或有毒的二次危險化合物的情況；

6）材料應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)超過3個月后使用，以保證其工藝穩(wěn)定性。

2.2 選用范圍

非金屬材料應(yīng)在航天器允許使用的材料選用目錄范圍內(nèi)選用。優(yōu)先選用飛行環(huán)境與載人航天器接近的衛(wèi)星或國外載人航天器已使用過的非金屬材料。參考國外材料選用“黑名單”，限制使用橡膠、膠類、塑料及涂料等非金屬材料，禁止使用脫出刺激性氣體的非金屬材料。

2.3 選用要求

對于密封艙內(nèi)的非金屬材料，應(yīng)通過可燃性、出氣、氣味方面的篩選試驗檢測，試驗結(jié)果合格才可上天使用。可燃性試驗包括阻燃及燃燒產(chǎn)物試驗。出氣、氣味試驗可以合并進(jìn)行。

對于可能因為出艙建立起低壓環(huán)境的密封艙內(nèi)使用的非金屬材料，在選用前還應(yīng)通過材料揮發(fā)性能試驗的檢測，包括真空中材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物的測試。

2.4 控制措施

對于不符合選用要求的非金屬材料，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行控制，包括：

1）控制材料的使用量、使用位置及使用方式。如對于阻燃性能不合格的材料，應(yīng)控制其使用量小于1 kg，且分散使用，使用位置在金屬夾層內(nèi)或密閉容器內(nèi)，則該材料仍可在密封艙內(nèi)使用。

2）艙內(nèi)設(shè)置阻隔材料。如對于阻燃性能不合格的材料，采取在其表面粘貼阻燃材料的措施，則該材料仍可在密封艙內(nèi)使用。

3）改變材料特性。如對材料采取真空脫氣處理，則其逸出有害氣體的數(shù)量和種類將大大減少，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)后可在密封艙內(nèi)使用。

4）調(diào)整更換材料類型。選取功能、性能相同且試驗結(jié)果合格的材料代替不合格的材料。

3 非金屬材料試驗驗證

依據(jù)非金屬材料選用要求，需開展可燃性、逸出有害氣體、真空中材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物的篩選試驗，還應(yīng)開展有害氣體的封艙檢測試驗。

常壓環(huán)境條件下，進(jìn)行可燃性、逸出有害氣體試驗即可。低壓環(huán)境件下，還需進(jìn)行真空中材料質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物試驗。

材料的篩選試驗應(yīng)在航天器設(shè)備研制過程中進(jìn)行。有害氣體的封艙檢測試驗則是在航天器組裝完成后進(jìn)行，最好是在電性能測試期間進(jìn)行。

3.1 可燃性試驗

3.1.1 試驗要求

選取載人航天器密封艙內(nèi)使用的主要非金屬材料，進(jìn)行常規(guī)重力和微重力環(huán)境下的阻燃性能測試試驗。

1）常規(guī)重力環(huán)境試驗

包括阻燃試驗和燃燒產(chǎn)物試驗。2項試驗結(jié)果均合格才能判定此種材料常規(guī)重力環(huán)境試驗結(jié)果合格。

阻燃試驗包括垂直燃燒、水平燃燒、45o傾斜燃燒和60o傾斜燃燒4類試驗項目，前2種適用于層面類材料，后2種分別適用于幾種材料組合的狀態(tài)和電線/電纜類材料。

燃燒產(chǎn)物試驗對一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫和氰化氫6種有毒氣體的含量進(jìn)行測定。

2）微重力環(huán)境試驗

微重力情況要求在落塔上進(jìn)行試驗，包括在規(guī)定溫度、濕度條件下，進(jìn)行21%和30%氧濃度（本文氧濃度均指氧氣體積分?jǐn)?shù)）的阻燃試驗。

另外，對于密封艙可能經(jīng)歷的出艙活動環(huán)境，針對出艙過程氧濃度變化，對使用的主要非金屬材料還應(yīng)進(jìn)行不同壓力情況下的氧濃度安全試驗。

3.1.2 常規(guī)重力環(huán)境試驗合格標(biāo)準(zhǔn)

1）阻燃試驗合格標(biāo)準(zhǔn)

① 垂直燃燒試驗：12 s點火垂直燃燒試驗，試驗時材料必須自熄，平均燒焦長度不得超過203 mm，移去火源后的平均續(xù)燃時間不得超過15 s，試樣上的滴落物在跌落后的平均續(xù)燃時間不得超過5 s。

② 水平燃燒試驗：試驗時材料平均火焰蔓延速率不得超過102 mm/min。

③ 45o傾斜燃燒試驗：試驗時材料在施加火焰時或移開火焰時，火焰均不得燒穿材料?；鹪匆崎_后的平均續(xù)燃時間不得超過15 s，平均陰燃時間不得超過10 s。

④ 60o傾斜燃燒試驗：試驗時材料應(yīng)是自熄的，平均燒焦長度不得超過76 mm，火源移開后的平均續(xù)燃時間不得超過30 s，試樣上的滴落物在跌落后的平均續(xù)燃時間不得超過3 s。

2）燃燒產(chǎn)物試驗合格標(biāo)準(zhǔn)

一氧化碳體積分?jǐn)?shù)＜3.50×10-3；氟化氫體積分?jǐn)?shù)＜1.00×10-4；氯化氫體積分?jǐn)?shù)＜1.50×10-4；氮氧化物體積分?jǐn)?shù)＜1.00×10-4；二氧化硫體積分?jǐn)?shù)＜1.00 ×10-4；氰化氫體積分?jǐn)?shù)＜1.50×10-4。

6種氣體指標(biāo)都合格才可判定此種材料此項試驗檢測合格。

3.1.3 微重力環(huán)境試驗合格標(biāo)準(zhǔn)

試驗時至少要有 3個標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的燃燒長度均小于15 cm，該材料才能被認(rèn)為是阻燃的。同時，著火的試樣不能飛濺出正在燃燒的碎片，造成火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

材料試驗結(jié)果不符合阻燃合格標(biāo)準(zhǔn)，則該材料限用。

3.1.4 試驗結(jié)果

選取密封艙內(nèi)的典型非金屬材料進(jìn)行了可燃性試驗。

1）常規(guī)重力環(huán)境下的阻燃試驗結(jié)果表明：檢測的非金屬材料中，1/3為阻燃性能不合格材料，主要包括橡膠、膠粘劑、涂料及復(fù)合材料等。

2）常規(guī)重力環(huán)境下的燃燒產(chǎn)物試驗結(jié)果表明：檢測的非金屬材料中，只有約1/5為燃燒產(chǎn)物不合格材料，包括橡膠類、涂料類材料，檢測結(jié)果都是氮氧化物超標(biāo)。

3）微重力環(huán)境下的阻燃試驗結(jié)果表明：微重力條件下，材料阻燃性能好于地面阻燃試驗中的結(jié)果。材料在微重力環(huán)境下與在地面環(huán)境下燃燒趨勢相同，高氧濃度比低氧濃度下材料燃燒更劇烈，但可燃的氧濃度下限比常規(guī)重力場中大氣氧濃度高。當(dāng)環(huán)境中氧濃度高于50%后，微重力環(huán)境中和常規(guī)重力狀態(tài)下的燃燒速率一樣。

3.2 逸出有害氣體試驗

包括脫出一氧化碳、脫出總有機(jī)物及氣味指標(biāo)要求。

試驗合格標(biāo)準(zhǔn)為：

1）脫出一氧化碳≤25 μg/g；

2）脫出總有機(jī)物≤100 μg/g；

3）氣味指標(biāo)不低于1.5級，即有氣味但不強(qiáng)烈。

試驗結(jié)果表明：艙內(nèi)只有極少數(shù)材料試驗結(jié)果不合格，主要是涂料類材料，表現(xiàn)在一氧化碳超標(biāo)。

3.3 真空中材料質(zhì)量損失試驗

試驗合格標(biāo)準(zhǔn)為被測材料總質(zhì)量損失平均百分比≤1%。已完成的試驗結(jié)果表明：艙內(nèi)只有極少數(shù)材料試驗結(jié)果不合格，主要是涂料類材料。

3.4 可凝揮發(fā)物試驗

試驗合格標(biāo)準(zhǔn)為被測材料可凝揮發(fā)物平均百分比≤0.1%。已完成的試驗結(jié)果表明：艙內(nèi)只有極少數(shù)材料試驗結(jié)果不合格，主要是涂料類材料。

3.5 有害氣體的封艙檢測試驗

所有載人航天器均應(yīng)進(jìn)行有害氣體的封艙檢測試驗，來檢測非金屬材料對載人航天器密封艙的總體影響。

通過對載人航天器密封艙較長時間的封閉檢測，可以獲得艙內(nèi)釋放的污染氣體特性和數(shù)量。封閉的艙體要求與即將發(fā)射的飛行器狀態(tài)相同，包括艙內(nèi)布局、設(shè)備技術(shù)狀態(tài)及使用狀態(tài)、非金屬材料使用狀態(tài)等。艙體可以非加電狀態(tài)運行，最好是按照飛行任務(wù)狀態(tài)加電運行。艙體封閉時間原則上應(yīng)超過飛行任務(wù)時間，也可根據(jù)需要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行推理分析。

地面設(shè)計的封艙檢測試驗一般利用常壓條件即可；如飛行過程中有密封艙艙壓不斷下降的情況，則還需開展低壓環(huán)境封艙檢測試驗?？衫玫孛嬲婵杖萜髂M航天器在軌飛行的艙內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行材料在常壓和低壓環(huán)境下脫出有害氣體比對分析試驗，從而預(yù)估脫出氣體產(chǎn)生濃度、速率等的變化情況。

實際的試驗結(jié)果表明：經(jīng)過對密封艙內(nèi)非金屬材料的控制，封艙檢測試驗的結(jié)果均滿足人所能耐受的航天醫(yī)學(xué)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論與展望

載人航天器密封艙內(nèi)環(huán)境對使用的非金屬材料提出了特殊的選用和控制要求。依據(jù)本文所提出的非金屬材料控制方法，確定選用范圍，制定控制措施，完成控制設(shè)計，并通過試驗驗證篩選出合格的非金屬材料，已成功應(yīng)用于我國載人飛船上，保證了載人航天器密封艙內(nèi)的環(huán)境滿足航天員的生活和工作需要，取得了良好的效果。

展望載人航天器后續(xù)任務(wù)，還需開展如下工作：

1）載人航天器密封艙內(nèi)使用的非金屬材料，不可能全部滿足篩選試驗要求。對于試驗結(jié)果不合格的材料，如何采取有效的控制措施，使其既能滿足功能需求，又能滿足載人環(huán)境要求，這是今后非金屬材料控制的工作重點。

2）通過非金屬材料試驗驗證，在獲得的材料檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)及時更新非金屬材料的選用范圍數(shù)據(jù)庫，建立材料使用的黑名單。

3）有害氣體的封艙檢測試驗時間受航天器地面研制周期的約束，不可能很長。如何通過有限的地面封艙檢測試驗數(shù)據(jù)，推斷出航天器長期在軌飛行中艙內(nèi)有害氣體釋放的情況成為必須解決的問題，即地面非金屬材料加速試驗方法的研究及出氣模型的建立應(yīng)是后續(xù)工作的重點。

（References）

[1]NASA-STD-6001 Flammability, odor, offgassing, and compatibility requirements and test procedures for materials in environments that support combustion[S],1998

[2]Friedman R, Sacksteder K R.Science and technology issues in spacecraft fire safety, NASA TM-88933, AIAA 87-0467[R], 1987

[3]Friedman R, Urban D L.Progress in fire detection and suppression technology for future space missions, NASA TM-2000-210337; AIAA 2000-5251[R], 2000

[4]ECSS-Q-70B Space product assurance—materials, mechanical parts and processes[S], 2004

[5]俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn) 載人航天器中航天員的居住環(huán)境（醫(yī)學(xué)-工程總要求）[S], 1996

[6]關(guān)于建立載人空間飛行器乘員艙防火安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的說明報告[R], 2002