海運(yùn)及沿海發(fā)射期間航天產(chǎn)品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對策略

王旭東，張立偉，張小紅，田志勇

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

繼酒泉、西昌和太原發(fā)射場后，我國正在海南省文昌市建設(shè)第4 個(gè)航天發(fā)射中心，即海南發(fā)射場。文昌緯度低、靠近赤道，在此發(fā)射航天器可最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)離心力提高火箭的運(yùn)載能力（對于地球同步衛(wèi)星）和延長衛(wèi)星在軌壽命。此外，海南發(fā)射場將成為我國新一代大型運(yùn)載火箭的主要發(fā)射基地，火箭尺寸的大小不受鐵軌的限制，可以通過水路運(yùn)至海南。因此，海南發(fā)射場是保障我國航天可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要里程碑，建成后，將主要承擔(dān)地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù)。

在具備上述優(yōu)勢的同時(shí)，海南發(fā)射場也給中國航天帶來了一個(gè)陌生的課題，即航天器在海運(yùn)、儲存、綜合測試和發(fā)射準(zhǔn)備期間的腐蝕問題。

1 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 文昌是我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū)

文昌在氣候類型上屬于熱帶季風(fēng)島嶼型氣候，具有高溫、高濕、多雷暴、強(qiáng)降水、有熱帶氣旋登陸和高鹽霧等氣候特點(diǎn)。該地區(qū)環(huán)境是典型的熱帶 海洋大氣環(huán)境：年平均氣溫24.1 °C；大氣年平均相對濕度＞86%，遠(yuǎn)高于GB/T 19292.1《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》規(guī)定的最高濕度τ5等級；大氣中的鹽霧含量很高，氯離子的質(zhì)量濃度在0.01～0.05 mg/m3之間，氯離子的沉降速率在0.0006～0.0137 mg/(cm2·d)之間。而我國的酒泉、西昌和太原發(fā)射場都屬于內(nèi)陸發(fā)射場大氣環(huán)境，大氣的腐蝕性很弱，不存在像海南發(fā)射場那樣嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境及潛在的腐蝕失效問題。海南發(fā)射場與內(nèi)陸發(fā)射場的大氣環(huán)境和腐蝕等級見表1。

表1 海南發(fā)射場與內(nèi)陸發(fā)射場的大氣環(huán)境和腐蝕等級 Table1 The atmospheric environment and its corrosion classes of Hainan launch base and the inland launch bases

1.2 沿海發(fā)射場熱帶海洋大氣環(huán)境及其效應(yīng)[1]

1）高溫與太陽輻射

熱帶海洋大氣環(huán)境的高溫環(huán)境會使電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作點(diǎn)發(fā)生變化，技術(shù)性能指標(biāo)下降，可靠性降低，工作壽命縮短；對運(yùn)載火箭和航天器的推進(jìn)劑儲運(yùn)、加注不利。強(qiáng)太陽輻射會使暴露在自然環(huán)境的設(shè)施和設(shè)備加速老化、變質(zhì)，令表面涂層開裂、脫落，使某些塑料物質(zhì)變形、破損，縮短其使用壽命。

2）空氣濕度

當(dāng)相對濕度大于80%時(shí)，易使絕緣材料受潮而導(dǎo)致產(chǎn)品電氣絕緣性能下降，甚至漏電或短路；高濕對運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)、閥門等需要保持干燥部位不利；高濕促使霉菌孢子發(fā)芽生長，使金屬及其他材料部件腐蝕，當(dāng)濕度超過金屬的臨界腐蝕濕度時(shí)，腐蝕速度將成倍增長[2-5]?？傊?，高濕環(huán)境對發(fā)射場、運(yùn)載火箭、航天器的光學(xué)儀器、設(shè)備以及太陽電池的工作有較多不利影響[6]。

3）風(fēng)與熱帶氣旋

地面大風(fēng)使火箭發(fā)射前的地面載荷加大，對火箭地面測試和平穩(wěn)、安全起飛不利；超過火箭設(shè)計(jì)載荷的地面風(fēng)將導(dǎo)致火箭不能正常瞄準(zhǔn)、點(diǎn)火發(fā)射；地面大風(fēng)使發(fā)射場建筑物、構(gòu)筑物載荷加大，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全不利。熱帶氣旋則由于其生成快、移動速度快、風(fēng)速高、破壞力強(qiáng)，因而對發(fā)射場和運(yùn)載火箭、航天器的影響和危害更大。

4）降水

火箭轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射時(shí)暴露在自然環(huán)境中，降水將導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣下降、漏電甚至短路，影響火箭、航天器的正常測試、加注、發(fā)射。降水會直接接觸發(fā)射場地面設(shè)施或室外設(shè)備，也可能進(jìn)入發(fā)射場地面設(shè)施內(nèi)部，對設(shè)施、設(shè)備的工作狀態(tài)、性能產(chǎn)生影響。長時(shí)間或大量降水會使環(huán)境濕度上升，對發(fā)射場地面設(shè)備設(shè)施、運(yùn)載火箭、航天器產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備可靠性與工作壽命。

5）雷暴

發(fā)射場地面設(shè)備設(shè)施、運(yùn)載火箭和航天器如直接受到電閃雷擊，輕者會損壞，重者則嚴(yán)重?fù)p毀；加注推進(jìn)劑后的火箭、航天器，以及推進(jìn)劑生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、加注設(shè)備可能會因遭受雷擊而起火爆炸，從而導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。

雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)會對處于其影響范圍的火箭、航天器、測試發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生影響，使某些電子儀器設(shè)備性能參數(shù)發(fā)生改變或失效，甚至是絕緣擊穿，引燃或引爆外泄可燃推進(jìn)劑、氣體等[7]。

6）海潮與海浪

海潮與海浪在與海風(fēng)的綜合作用下，會使沿海區(qū)域鹽霧濃度大大增高，影響運(yùn)載火箭、航天器海上運(yùn)輸安全，影響運(yùn)輸船在港口的停泊、進(jìn)出和裝卸載。此外，還會對近海、低海拔的發(fā)射場設(shè)施安全構(gòu)成威脅。

7）鹽霧

空氣含鹽（鹽霧）后：一是產(chǎn)生導(dǎo)電性，會使長期處于鹽霧作用區(qū)域的電子設(shè)備、儀器、電纜等 絕緣性能下降[8]、工作可靠性降低，甚至導(dǎo)致漏電、短路；二是具有腐蝕性，尤其對金屬物質(zhì)的腐蝕最為嚴(yán)重[9]。鹽霧對金屬的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，腐蝕機(jī)理基于原電池腐蝕[10]。

鹽霧腐蝕是熱帶海洋大氣環(huán)境的重要特征。腐蝕的結(jié)果使地面設(shè)備、設(shè)施性能變差，可靠性降低，工作壽命縮短，維護(hù)成本增加。

1.3 NASA 肯尼迪航天中心的航天器腐蝕案例分析

對于海南發(fā)射場嚴(yán)酷的大氣腐蝕環(huán)境是否會造成航天器的腐蝕，我國尚無實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，但發(fā)生在NASA 肯尼迪航天中心（KFC）的航天器腐蝕案例或許可以帶給我們一些啟示[11]。KFC 位于美國東部佛羅里達(dá)州東海岸的梅里特島，瀕臨大西洋，靠近赤道，是美國地球同步軌道衛(wèi)星、航天飛機(jī)、“阿波羅”飛船、“天空實(shí)驗(yàn)室”及各類行星際探測器的主要發(fā)射場。無論是地理位置、氣候條件還是發(fā)射任務(wù)，KFC 都與我國海南發(fā)射場極為相似。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，KFC 的海洋大氣環(huán)境給航天發(fā)射活動帶來了嚴(yán)重的腐蝕問題。

1989年，在航天飛機(jī)發(fā)射前的綜合測試中發(fā) 現(xiàn)，航天飛機(jī)的一個(gè)“安全與保險(xiǎn)解除裝置”（safety and arming device，S＆A）在通電后無法驅(qū)動和切換至保險(xiǎn)解除位置（見圖1）。該裝置在船運(yùn)至KFC 之前的電校驗(yàn)測試合格。分析表明，海運(yùn)及至KFC 后的綜合測試期間，由于KFC 大氣中高濃度的鹽霧，S＆A 裝置的1U50664-03 軸承發(fā)生了明顯的腐蝕，降低了軸承的抗摩擦磨損性能，由此導(dǎo)致了裝置失效。最后，1U50664-03 和1U50664-04兩個(gè)非不銹鋼材質(zhì)的軸承都被替換為不銹鋼材質(zhì)的軸承。

1993年，NASA 針對航天飛機(jī)軌道器的腐蝕問題專門成立了“軌道器項(xiàng)目腐蝕控制評估委員會”，對航天飛機(jī)軌道器在12年間的腐蝕歷史進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：軌道器的腐蝕主要發(fā)生在發(fā)射任務(wù)期間航天飛機(jī)停留的運(yùn)載裝配間和發(fā)射臺，在軌道器在發(fā)射臺停留的近1 個(gè)月時(shí)間，來自大西洋的高濃度鹽霧、高濕的大氣給軌道器造成了嚴(yán)重的腐蝕問題；軌道器的腐蝕區(qū)域共有926 個(gè)，正式詳細(xì)記錄的腐蝕問題有26 個(gè)，包括與機(jī)械分系統(tǒng)相關(guān)的腐蝕問題13 個(gè)，與主、次結(jié)構(gòu)相關(guān)的腐蝕問題13 個(gè)，其中12 個(gè)是由發(fā)射場大氣中的高濃度鹽霧導(dǎo)致的。

圖1 海運(yùn)及在肯尼迪航天中心儲藏期間腐蝕失效的S＆A Fig.1 The corrosion failure of S＆A during shipping and at Kennedy Space Center

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，海洋大氣對KFC 的航天器的腐蝕影響范圍主要有：

1）結(jié)構(gòu)與材料類。航天器的各類金屬結(jié)構(gòu)和材料；密封件和密封材料；絕緣材料；各種涂層和鍍層等。

2）電子設(shè)備類。航天器的各類電子儀器、設(shè)備、電力與信號電線、電纜及連接器、接插件等[12]。

3）光學(xué)設(shè)備類。航天器的光學(xué)敏感器、光學(xué)相機(jī)、光能電池等。

4）機(jī)械電氣設(shè)備類。航天器的各類機(jī)械電氣設(shè)備。

5）推進(jìn)劑與火工品類。星上發(fā)動機(jī)火藥啟動器、電爆管、電爆閥。

1.4 海南發(fā)射場航天產(chǎn)品腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

海南發(fā)射場是我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū)，其大氣腐蝕性顯著高于我國酒泉、西昌和太原發(fā)射場，甚至高于KFC。

從1.3 節(jié)腐蝕案例來看，雖然NASA 在材料和工藝的選用和產(chǎn)品保證中有嚴(yán)格的腐蝕控制要求，但海運(yùn)和沿海發(fā)射場帶來的航天產(chǎn)品腐蝕問題仍時(shí)有發(fā)生；所以將來在海南發(fā)射場發(fā)射的航天器，在海上運(yùn)輸和發(fā)射場的儲存、綜合測試、發(fā)射準(zhǔn)備期間，材料、元器件、零部件甚至組件發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)是存在的。腐蝕的發(fā)生雖然不足以引起航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，但腐蝕對航天器的危害是巨大的，主要體現(xiàn)在：

1）腐蝕產(chǎn)物是一種隱性的多余物，且成分較為復(fù)雜，往往是金屬、氧化物和鹽的混合物。其中的金屬多余物易導(dǎo)致航天器元器件（如電連接器、繼電器等）發(fā)生短路、擊穿、絕緣不良等致命失效；非金屬多余物易則導(dǎo)致航天器元器件、零部件發(fā)生阻塞、觸點(diǎn)不通或接觸電阻過大等失效。

2）腐蝕會導(dǎo)致航天產(chǎn)品表面的光學(xué)、電、熱控和磁性能等退化。

3）腐蝕危害具有延時(shí)性。雖然腐蝕主要發(fā)生在海運(yùn)和發(fā)射場的儲存、綜合測試、發(fā)射準(zhǔn)備等地面階段，但腐蝕的危害性會延伸至航天器的在軌運(yùn)行階段。

此外，我國現(xiàn)行的航天器包裝技術(shù)要求主要適用于以往內(nèi)陸發(fā)射場的公路、鐵路、飛機(jī)運(yùn)輸及測試、發(fā)射過程[13-15]，包裝箱、星（船）衣是否能夠滿足海運(yùn)和文昌發(fā)射中心高腐蝕性大氣的防護(hù)需求是未知的。

2 國外應(yīng)對腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的策略

為避免和降低海運(yùn)和沿海發(fā)射場海洋大氣環(huán)境對航天產(chǎn)品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，NASA 和ESA 制定了多項(xiàng)應(yīng)對措施，主要包括：

1）頒布各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，針對航天器的設(shè)備、組件、元器件、材料和工藝[16]推行以鹽霧和濕熱試驗(yàn)為主的環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)和保證工作

NASA/TP-1999-209263《Multilayer Insulation Material Guidelines》[17]（多層隔熱材料指南）指出：多數(shù)發(fā)射場都建在沿海，雖然多數(shù)航天器在運(yùn)至發(fā)射塔和安裝至運(yùn)載火箭的過程中都是在凈室或環(huán)境密封艙內(nèi)操作，并且在發(fā)射塔期間還處于有恒溫恒濕空調(diào)保障的隔離間內(nèi)，但鹽霧等海洋性大氣依然能夠通過空調(diào)與航天器接觸，因此，在多層隔熱材料的設(shè)計(jì)中，要考慮材料在鹽霧等海洋大氣環(huán)境下的腐蝕問題，進(jìn)行有關(guān)鹽霧試驗(yàn)評價(jià)。鹽霧試驗(yàn)要求按照美國材料與試驗(yàn)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM B117 《Standard practice for operating salt spray (fog)apparatus》（鹽霧試驗(yàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程）的規(guī)定進(jìn)行。表2給出了NASA、ESA 要求使用鹽霧和濕熱試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 NASA、ESA 要求使用鹽霧和濕熱試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng) 性評價(jià)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) Table2 The standards adopted by NASA and ESA of salt spray and humidity test for environmental adaptability evaluation

2）航天器與沿海運(yùn)輸、裝卸的兼容性設(shè)計(jì)與防護(hù)

在NASA 航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則SP-8000《NASA Space Vehicle Design Criteria SP-8000》系列中，NASA SP-8104《Structural Interaction with Transpor- tation and Handling Systems》（結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸和裝卸系統(tǒng)間的相互作用）介紹了航天器結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸、裝卸系統(tǒng)間的兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與防護(hù)策略。值得注意的是，其中與環(huán)境的兼容性設(shè)計(jì)和防護(hù)同海運(yùn)中的海洋氣候環(huán)境相關(guān)。下面將介紹NASA SP-8104 中航天器與運(yùn)輸環(huán)境的兼容性設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容[27]。

①航天器與運(yùn)輸、裝卸環(huán)境兼容性設(shè)計(jì)的必要性。在運(yùn)輸、裝卸過程中，包括暫時(shí)性儲存中，航 天器將一定程度地暴露于自然環(huán)境中，由此給航天器結(jié)構(gòu)帶來一些潛在的有害影響。因此，需要通過運(yùn)輸和裝卸系統(tǒng)，或者適當(dāng)?shù)暮教炱鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對航天器結(jié)構(gòu)施加保護(hù)來避免這些有害影響。一種確定航天器在運(yùn)輸和裝卸過程中關(guān)鍵性環(huán)境因素的方法是使用物流流程圖。物流流程圖能夠詳細(xì)說明運(yùn)輸和裝卸過程中的各個(gè)階段及與之相關(guān)的自然環(huán)境，并最終確定環(huán)境的嚴(yán)酷性、作用頻率和各環(huán)境因素間的組合。

②兼容性設(shè)計(jì)中需要考慮的自然環(huán)境及其效應(yīng)。表3給出了航天器在運(yùn)輸過程中最經(jīng)常暴露于其中的環(huán)境及其主要的破壞作用。其他的自然環(huán)境（包括太陽輻射、臭氧、沙/塵、電磁和粒子輻射、閃電和靜電放電等）并不是運(yùn)輸和裝卸過程中航天器結(jié)構(gòu)的主要危害。

表3 運(yùn)輸和裝卸過程中的自然環(huán)境及其破壞作用 Table3 The natural environment and its damaging effects during transport,loading and unloading processes

3）航天器與運(yùn)輸、裝卸系統(tǒng)間兼容性設(shè)計(jì)的建議措施

要識別并量化航天器在運(yùn)輸、裝卸包括暫時(shí)儲存過程中遇到的自然環(huán)境因素，就要判斷這些環(huán)境因素的量值是否超過了航天器對這些環(huán)境的抗力，進(jìn)而決定是否需要控制或完全消除這些環(huán)境因素對航天器的影響[28]。根據(jù)需要，這些自然環(huán)境因素及其控制方法可單獨(dú)或整體考慮。表4列出了通常需要考慮的自然環(huán)境因素及建議的防護(hù)措施。這些自然環(huán)境因素來自于沿海發(fā)射場和一些與發(fā)射場連接的船運(yùn)水路。

表4 建議的自然環(huán)境防護(hù)措施 Table4 Natural environment and the corresponding protection measures suggested

3 結(jié)論及建議

海南發(fā)射場地處我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū)，未來在此發(fā)射的航天器在海運(yùn)和發(fā)射場期間存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。為降低、防范這些腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提出以下建議：

1）提高航天產(chǎn)品的表面處理工藝水平，提升海運(yùn)和海南發(fā)射場期間產(chǎn)品的抗腐蝕能力。

2）加強(qiáng)航天產(chǎn)品的腐蝕控制管理。在相關(guān)原材料、元器件、零部件和工藝的選用中以及批次產(chǎn)品的復(fù)驗(yàn)中，將抗鹽霧、濕熱等耐腐蝕性能作為主要的驗(yàn)收技術(shù)要求。

3）積極開展航天器關(guān)鍵材料、元器件、零部件在海南氣候環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)研究，逐步完善、健全我國關(guān)于航天產(chǎn)品腐蝕控制的技術(shù)要求、選用準(zhǔn)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

4）對現(xiàn)在使用的航天器用包裝箱、星（船）衣能否滿足航天器在海洋運(yùn)輸及海南發(fā)射場期間高腐蝕性大氣的防護(hù)需求，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

5）識別并量化航天器在海運(yùn)及海南發(fā)射場期間的自然環(huán)境，評價(jià)這些環(huán)境的量值是否超過了航天器的抗力，進(jìn)而決定是否需要控制或完全消除這些環(huán)境對航天器的影響。

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