材料空間暴露試驗綜述

李存惠，史 亮，張劍鋒，楊生勝

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，空間環(huán)境材料行為與評價技術(shù)重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

隨著空間科學(xué)研究的深入和載人航天、深空探測的需要，空間環(huán)境的檢測和材料的暴露試驗引起了人們更多的關(guān)注和重視。通過發(fā)展航天器材料在軌暴露試驗與性能監(jiān)測技術(shù)，可獲得航天器用典型材料性能的在軌試驗數(shù)據(jù)，并對現(xiàn)行的材料地面模擬試驗方法、試驗評估數(shù)據(jù)、性能退化的分析模型等進(jìn)行實際飛行試驗驗證，在此基礎(chǔ)上可對材料空間環(huán)境效應(yīng)的模擬試驗方法及其性能退化分析模型等進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善，進(jìn)而推動材料空間環(huán)境防護(hù)技術(shù)和壽命預(yù)示技術(shù)的發(fā)展。本文將對暴露試驗的特點、研究內(nèi)容、國外幾種典型的暴露試驗情況以及最近幾年國際空間站的試驗作扼要的介紹，為我國開展此類試驗提供參考。

2 暴露試驗的涵義和特點

暴露試驗是指把試驗裝置或被試樣品(材料、元器件或設(shè)備)放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環(huán)境之中所進(jìn)行的各種試驗。與普通的科學(xué)實驗性比，具有如下特點:1)試驗樣品直接處于真實的空間環(huán)境中(很少或沒有任何屏蔽)，這個真實的空間環(huán)境包括了微重力、高真空、熱循環(huán)、等離子體環(huán)境、輻射環(huán)境、微流星體/軌道碎片、原子氧等;2)所有的暴露試驗至少進(jìn)行上述環(huán)境因素中的一項或多項的影響試驗，這彌補(bǔ)了地面模擬試驗的不足;3)試驗樣品大多需要回收，以便研究空間環(huán)境因素帶來的影響。所以，試驗通常在載人航天器或可回收的航天器中進(jìn)行;4)航天器必須為試驗提供一個安裝暴露試驗裝置的平臺，它可以是桁架、航天器的外表面或裸露艙段等［1］。

由于空間環(huán)境惡劣，且航天器的資源有限，早期的暴露試驗多數(shù)是無源的;隨著航天技術(shù)水平的提高、資源的增加和科學(xué)研究的需要，有源的暴露試驗越來越多。如果暴露試驗被設(shè)計為長期的系列試驗，試驗的次序一般是由簡到繁、由主動到被動、由無源到有源。

暴露試驗的時間有長有短，主要取決于它搭載于那種類型的航天器。返回式衛(wèi)星及航天飛機(jī)一般為1～2周;“和平”號空間站的實驗為3個月;尤里卡(EURECA)是9個月;長期暴露裝置(LDEF)為1年;而國際空間上的材料暴露試驗(MISSE1－7)為一個系列試驗，每一期的暴露時間大約為1年。

3 暴露試驗的主要研究內(nèi)容

國外的空間暴露試驗除MISSE外大多是在上世紀(jì)末進(jìn)行的，研究內(nèi)容極其廣泛，側(cè)重點也有所不同，總結(jié)起來主要有以下幾個方面:1)由于暴露試驗處于真實的空間環(huán)境中，它是航天用材料、部件、系統(tǒng)性能研究最真實、最可靠的模擬方法。暴露試驗主要考慮樣品與環(huán)境因素的作用機(jī)理，獲得樣品在軌暴露試驗數(shù)據(jù)，為航天器的設(shè)計、選材提供借鑒;2)空間暴露試驗的開展，可積累環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)并驗證地面模擬試驗的結(jié)果，從而不斷提高地面模擬試驗的準(zhǔn)確性和完善各種相關(guān)設(shè)計規(guī)范，這對提高航天器的可靠性，降低航天器的成本很有益處;3)暴露試驗代表材料學(xué)、生物學(xué)研究的一個新工具。新型的、潛在的航天用材料的空間適用性需要通過暴露試驗得到驗證;許多與空間有關(guān)的生物學(xué)問題(特別是輻射生物學(xué)、天體生物學(xué)和行星生物的遷移等)可通過暴露試驗進(jìn)行直接研究。

4 國外幾種典型的暴露試驗

從20世紀(jì)80年代開始，美國利用STS－5返回式衛(wèi)星進(jìn)行材料空間暴露試驗后，各航天發(fā)達(dá)國家或獨自或合作開展了多項空間暴露試驗。從第一代空間環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測平臺LDEF開始到國際空間站(ISS)上搭載的平臺，總共發(fā)射了20多種暴露平臺，主要可以分為3個類型:1)材料空間暴露平臺，主要研究空間環(huán)境對材料的影響，通過暴露平臺研究空間環(huán)境對材料的累積和協(xié)和損傷效應(yīng)，其代表性裝置有LDEF和MISSE;2)在軌環(huán)境因素監(jiān)測平臺，主要實時探測各種空間環(huán)境因素，其代表性裝置有MEDET和JEM;3)在軌空間環(huán)境綜合測試平臺，可同時研究空間環(huán)境效應(yīng)及其與材料相互作用的機(jī)制，其代表性裝置有OPM。

4.1 美國的大型長期暴露試驗裝置(LDEF)

20世紀(jì)80年代，NASA的長期暴露試驗裝置(Long Duration Exposure Facility，LDEF)及其飛行是目前為止持續(xù)時間最長的暴露試驗。經(jīng)過約10年的準(zhǔn)備、設(shè)計、研制和各種試驗，LDEF于1984年4月7日由挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)(STS－41C)送入高400 km、傾角為28.4°的近圓地球軌道，原計劃于1985年通過STS－51D飛行實施回收，后因故推遲。1986年“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)發(fā)射時爆炸，致使回收再次推遲。直到1990年1月11日才由“哥倫比亞”號航天飛機(jī)回收，在軌停留了5.7年(69個月)，經(jīng)歷了半個太陽活動周期(入軌時處于太陽活動最小，回收時位于太陽活動最大)，繞地球32 422圈。

LDEF的結(jié)構(gòu)呈棱柱形(見圖1和圖2)，它的橫切面是正十二邊形，整體寬4.27 m，長9.14 m，暴露面積130 m2，起飛時質(zhì)量為9 724 kg。在其周向的12個平表面(72個)和2個端面(14個)分布著86個試驗盒，共進(jìn)行57項試驗。LDEF采用重力梯度維持在軌的三軸穩(wěn)定，在軌運行期間不存在因發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的加速力和射流污染的影響［2］。

LDEF飛行任務(wù)的目的是提供關(guān)于空間環(huán)境及其對空間系統(tǒng)、元部件和材料效應(yīng)的長期數(shù)據(jù)。試驗內(nèi)容涵蓋:1)空間環(huán)境下材料性質(zhì)隨時間的變化試驗，航天用的光學(xué)、熱、機(jī)械、電及其他材料的暴露樣品達(dá)10 000多種，包括金屬、聚合物、復(fù)合材料、陶瓷、玻璃、鍍銀teflon、熱控材料、粘結(jié)劑、密封和潤滑材料等;2)航天系統(tǒng)(機(jī)械、熱、電和光學(xué)系統(tǒng))的性能試驗(20項);3)航天器能源系統(tǒng)元器件的評價試驗;4)空間輻射及輻射劑量學(xué)試驗(其中電離輻射試驗13項);5)空間生物學(xué)，輻射生物學(xué)試驗;6)空間物理及有關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究等。

圖1 長期暴露裝置(LDEF)的示意圖

圖2 長期暴露裝置(LDEF)的實物圖

4.2 國際空間站上的暴露試驗 (MISSE1－7)

國際空間站材料試驗(Materials International Space Station Experiments，MISSE)是一個系列飛行試驗，使用被動暴露試驗箱(PECs)將材料暴露于國際空間站(ISS)外的真實空間環(huán)境。PECs在航天飛機(jī)中時，樣品面板面對面閉合，通過航天員艙外活動(EVA)打開并安裝在ISS外面(如圖3和圖4所示)。MISSE1－2于2001年安裝于國際空間站上，暴露將近4年后回收;MISSE3－4于2006年8月安裝在國際空間站的氣閘艙上，暴露1年后回收。MISSE1－4為被動試驗，主要考察材料的原子氧效應(yīng)、太陽輻射效應(yīng)以及原子氧和太陽輻射的協(xié)和效應(yīng)等。MISSE5于2005年8月被安裝在P6桁架段上，暴露1年后回收。MISSE5包含2個主動試驗和1個被動試驗:先進(jìn)技術(shù)太陽能電池陣試驗(FTSCE)是一個主動試驗，試驗測試了36個現(xiàn)用和未來航天器用太陽能電池的性能;第二個主動試驗測試通訊衛(wèi)星系統(tǒng)樣機(jī)的通訊系統(tǒng)，以及通訊中非定制遙控指令和控制的解決辦法;被動試驗是熱控層材料暴露試驗，包括幾個不同的試驗項目用來測量200種材料在空間環(huán)境中的退化機(jī)理。MISSE6和MISSE7試驗箱與先前的不同，大部分試驗是主動試驗，MISSE6的主動試驗由空間站提供電源，數(shù)據(jù)貯存到數(shù)據(jù)記錄器中，試驗回收時可用。MISSE 6中有6項主動試驗和6項被動試驗，共168個樣品集成到MISSE6的2個PEC(6A和6B)中，于2008年3月置于哥倫布試驗艙外，于2009年9月回收。MISSE7將由ISS提供電源并與ISS具有通訊連接，主動數(shù)據(jù)每天通過遙感技術(shù)回收。包括3個主動和6個被動試驗，共120個樣品集成到PEC7。MISSE6、7試驗包含了空間探測任務(wù)相關(guān)的材料比如:航天服織物、聚合物熱控防護(hù)層、太陽陣防護(hù)材料、“O”型密封材料、灰塵減緩材料等［3～5］。

圖3 宇航員打開ISS上被動試驗箱

圖4 MISSE－2“迎風(fēng)”面

NASA已在MISSE中對數(shù)以千計的樣品進(jìn)行了飛行試驗，其中包括化合物、傳感器、機(jī)械活動件、聚合物、溫控材料、生物材料和元器件。目的是對航天用材料在LEO軌道的環(huán)境耐久性進(jìn)行測試，并對潛在的新型航天材料作真實的空間暴露試驗，從而驗證這些材料的可用性。MISSE致力于原子氧效應(yīng)研究，包括聚合物侵蝕、原子氧散射、壓力對原子氧侵蝕的影響、原子氧通量原位檢測。該系列試驗同時也對太陽輻射效應(yīng)進(jìn)行檢測，包括輻射誘發(fā)聚合物收縮、壓力對輻射致聚合物降級的影響以及輻射對氧化銦錫(ITO)涂層和航天服織物的影響。還有一些附帶試驗，包括對原子氧和太陽紫外輻射對熱控薄膜、涂層和金屬、陶瓷覆層的綜合影響進(jìn)行考察。獵戶座飛船密封材料和高壓太陽能電池陣材料也進(jìn)行了搭載和試驗。同時NASA還在MISSE中設(shè)計了一些飛行試驗來對地面空間環(huán)境效應(yīng)模擬設(shè)備進(jìn)行校正，提高地面模擬試驗的準(zhǔn)確性。

4.3 和平號軌道站的光學(xué)特性監(jiān)視儀(OPM)

NASA的馬歇爾空間飛行中心(MSFC)為了研究材料空間環(huán)境的長期效應(yīng)(自然或誘發(fā)的)，在俄羅斯的和平號空間站上搭載了光學(xué)特性監(jiān)測儀器(OPM)，它同時也可監(jiān)測環(huán)境效應(yīng)誘發(fā)材料出氣引起的分子污染。OPM的光學(xué)特性監(jiān)測器把樣品分布在一個圓盤上做暴露試驗，每個樣品被旋轉(zhuǎn)至若干個測量儀器的檢測路徑上，以進(jìn)行光學(xué)特性的評價。原位測量子系統(tǒng)可以測量光、熱特性:光譜總半球反射比、總的積分散射率(TIS)、真空紫外線輻射(VUV)反射率/輻射能量透入率、總輻射率;環(huán)境監(jiān)測器可測量樣品所遭受空間環(huán)境的幾種成分(日/地光線、分子污染物、原子氧);材料光、熱性能的細(xì)微變化、表面退化效應(yīng)、污染效應(yīng)會在飛行后的分析中確定。OPM的主要部件有:1)反射計子系統(tǒng);2)總積分散射(TIS)子系統(tǒng);3)真空紫外分光光度計子系統(tǒng);4)輻射劑量率監(jiān)測子系統(tǒng);5)TQCM子系統(tǒng);6)原子氧監(jiān)測子系統(tǒng)。該試驗裝置于1997年1月送上 MIR，1998年 1月回收，有效工作時間為8個月［6，7］。

根據(jù)當(dāng)時的飛行任務(wù)，OPM的主要目的有:

(1)測定MIR艙空間環(huán)境對材料的影響及其損傷機(jī)理

Mir艙是當(dāng)時僅有的研究在延伸期中圍繞巨大空間平臺的環(huán)境和它對材料與系統(tǒng)影響的裝置。Mir艙的高傾斜軌道提供與長期觀察任務(wù)(如長期輻照設(shè)備)不同的混合環(huán)境要素。OPM任務(wù)為研究這種環(huán)境效應(yīng)提供了機(jī)會。暴露裝置將測定空間環(huán)境對光、熱控制，能源系統(tǒng)材料，操作系統(tǒng)的影響。測試材料的原位光學(xué)特性測量需要將測試材料重新調(diào)整到地面環(huán)境以測定空間環(huán)境的堆積效應(yīng)。

(2)提供飛船和光學(xué)材料的飛行試驗

重要的材料被要求在圍繞巨大的空間平臺的環(huán)境下運作。國際空間站(ISS)儀表裝置和其他未來任務(wù)的候選材料被暴露到Mir空間站環(huán)境下并通過飛行前(原位)、飛行后的性能測試，掌握輻照效果。

(3)為校驗地面測試設(shè)備和預(yù)示模型提供數(shù)據(jù)

所有航天用的候選材料都不能在完成任務(wù)期間、在被使用的位置進(jìn)行飛行測試。地面基礎(chǔ)測試和壽命預(yù)言模型是保持空間系統(tǒng)設(shè)計和任務(wù)計劃的基礎(chǔ)。這些測試和模型需要隨飛行試驗的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行標(biāo)定和更新。OPM將提供定期的材料光學(xué)性能方面飛行試驗的數(shù)據(jù)，并將作為地面測試期間的參考。

(4)發(fā)展并試驗一種多功能的、可重復(fù)使用的飛行儀器，用來在線研究材料的空間環(huán)境性能其裝置示意圖如圖5所示;在Mir上的位置示意圖如圖6所示;裝置外觀圖如圖7所示。

圖5 OPM示意圖

圖6 OPM在和平號軌道站上的位置

圖7 OPM裝置外觀圖

5 結(jié)束語

材料在LEO環(huán)境作用下的性能變化是影響航天器功能和壽命的主要因素之一。航天器有效載荷(如太陽能電池板、光學(xué)儀器、熱控系統(tǒng)等)上使用的空間材料在空間環(huán)境作用下，其性能會產(chǎn)生衰減甚至失效，從而降低航天器的使用壽命和可靠性。材料暴露試驗主要是研制一種適合空間搭載的在軌飛行試驗裝置，根據(jù)不同的任務(wù)需求，可在軌實時測量材料太陽紫外輻照、原子氧(AO)、污染、空間輻射、空間碎片/宇宙塵埃等效應(yīng)。從國外暴露試驗的研究內(nèi)容來看，原子氧、紫外輻射、空間碎片為LEO最關(guān)注的熱點問題，由于空間站上搭載了大量的光學(xué)設(shè)備，污染效應(yīng)也是一個關(guān)注的熱點;單純地進(jìn)行材料在軌暴露試驗已經(jīng)被在軌原位空間環(huán)境效應(yīng)探測所取代。我國在未來進(jìn)行在軌材料環(huán)境試驗時，可在材料暴露裝置上搭載一些技術(shù)較為成熟的監(jiān)測儀獲得在軌數(shù)據(jù)，如石英晶體微量天平(QCM)等［8］。

暴露試驗是空間科學(xué)試驗研究和空間探測的重要組成部分。無論是過去還是現(xiàn)在，世界上的航天大國對此都很重視，他們利用各種航天器進(jìn)行了暴露平臺的搭載，開展了大量的研究。開展此類搭載試驗費用高、機(jī)會少，可利用的資源有限。盡管我國已有返回式衛(wèi)星、神州號載人飛船，但我國未加入到國際空間站這項巨大的空間工程中，沒有長期的暴露試驗平臺。現(xiàn)在我國已啟動了自己的空間站計劃，利用空間站提供的獨一無二的低地軌道平臺開展材料暴露試驗，既可以為我國航天器設(shè)計工程材料選用提供技術(shù)指標(biāo)，完善空間應(yīng)用材料和元器件的篩選方法及其評價試驗技術(shù)體系，打破空間大國的技術(shù)壟斷格局，也可以利用空間飛行暴露試驗取得的材料與空間環(huán)境作用的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為材料的發(fā)展和改進(jìn)提供方向。

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