空間碎片材料檢測技術(shù)研究

陳春燕 吳勝寶 董曉琳 張恒浩 魏 明

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京 100076)

空間碎片材料檢測技術(shù)研究

陳春燕 吳勝寶 董曉琳 張恒浩 魏 明

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京 100076)

為了對空間碎片材料的成分進行快速檢測，分析了空間碎片的來源和構(gòu)成，并對空間碎片主要成分的國內(nèi)外檢測技術(shù)手段進行了詳細對比，采用了一種基于LIBS的網(wǎng)絡(luò)化空間碎片檢測方案。該方案具有分析速度快、測量精度和靈敏度高、可多元素同時測量、空間適應(yīng)性好且無需樣品預(yù)處理等特點，同時可實現(xiàn)檢測流程全自動化和多線程化。

空間碎片 成分檢測 網(wǎng)絡(luò)化

1 引 言

近年來，人類航天活動日益頻繁，航天器發(fā)射數(shù)量不斷增加，因此產(chǎn)生了大量的空間碎片，包括運載工具、失效載荷以及由空間物體碰撞產(chǎn)生的碎片等。目前太空中已編目的大于10cm的空間碎片約2萬個，1mm～10cm的碎片超過50萬個；小于1mm的碎片可能有幾千萬個。空間碎片的相對運動約10km/s，不同尺寸空間碎片對航天器有著不同程度的威脅，造成多種形式的危害，嚴(yán)重的可改變航天器的表面性能、運行姿態(tài)和軌道，甚至可導(dǎo)致載人航天器的嚴(yán)重?fù)p毀，威脅航天員的生命安全[1]。

因此對空間碎片清除和研究日益迫切，進行碎片能量轉(zhuǎn)化再利用成為空間碎片控制的一個新方向。碎片能量轉(zhuǎn)化再利用形式多種多樣，如實現(xiàn)空間碎片的產(chǎn)品制造，其流程為對空間碎片的成分類別確定、檢測分類，將其中不可用材料投入廢料收集及處理系統(tǒng)中，對于可用材料進一步區(qū)分，將其分解為打印原料，結(jié)合空間3D打印技術(shù)，實現(xiàn)空間產(chǎn)品的直接制備。其中空間碎片材料檢測是實現(xiàn)該技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。

2 空間碎片的來源及構(gòu)成

在性質(zhì)上，空間碎片可分為自然成因的宇宙塵(或稱微流星體，或微隕石)和人為空間碎片。依據(jù)空間碎片的大小，通常將大于10cm的空間碎片稱為大碎片，1mm～10cm的稱為中等碎片，小于1mm的稱為小碎片。

在化學(xué)成分上，即根據(jù)物質(zhì)來源和物質(zhì)成分的不同層次，可將空間碎片進行3級分類，第1級空間碎片分為自然微流星體和人為空間碎片；第2級根據(jù)礦物和化合物種類，自然微流星體分為鎂鐵質(zhì)、金屬-硫化物質(zhì)和層狀硅酸鹽質(zhì)3類，人為空間碎片分為有機聚合物、非金屬單質(zhì)、金屬與合金、氧化物、硫化物與類硫化物、鹵化物以及碳化物等7類；第3級對人為空間碎片進行了進一步劃分。

從物質(zhì)來源上分，可以有以下幾種：自然來源，即宇宙塵顆粒，為空間碎片的背景通量，它們雖然不是由人類太空活動產(chǎn)生的，但同樣會對航天器造成危害；完成任務(wù)后遺棄在空間的運載火箭箭體和衛(wèi)星；發(fā)射時送入軌道的物體，如運載火箭末級、有效載荷及相關(guān)物體；航天器機動飛行時的排放物，如固體火箭排放的三氧化二鋁；破碎物，由航天器爆炸或相互之間碰撞產(chǎn)生的破碎物；航天器表面剝落的物質(zhì)，如油漆；泄露的物質(zhì)，如核能源的冷卻劑。

如圖1所示，大于10cm尺寸的空間碎片，56%來源于在軌爆炸或碰撞解體，22%來自失效衛(wèi)星或其他航天器，11%來自完成任務(wù)的火箭末級或上面級，10%來自航天器發(fā)射或在軌操作中的丟棄物。

NASA的JSC中心和洛克希德馬丁公司合作開展了為期10年的航天飛機受流星體、碎片等撞擊情況的研究，經(jīng)分析，軌道碎片的組成材料包含鋁/鋁合金(占44%)、漆(占37%)、鋼(占12%)、銅(占5%)和鈦(占2%)等，其中前兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達到81%。

美國對哈勃太空望遠鏡在軌3.5年后太陽能電池受到碰撞的殘渣分析，空間碎片是其碰撞的主要因素，其成分是鋁的氧化物、鈦、錳、有機物、鋅和氯，其中鋁和鋁的氧化物占主要。

NASA約翰遜航天中心軌道碎片項目辦公室總結(jié)的在軌有效載荷和運載火箭碎片的組成成分密度質(zhì)量比得出有效載荷的組成成分中鋁合金占絕大部分；因具體火箭型號不同，火箭箭體組成成分比重之間的區(qū)別較大，但總體上以鋁、鈦、鋼三種金屬為主。

從以上統(tǒng)計中可以看出，空間碎片的成分主要包括鋁/鋁合金、漆、鋼、銅、鈦、錳等物質(zhì)。

3 金屬材料常用檢測技術(shù)對比

由于空間碎片多為鋁/鋁合金、鋼、銅和鈦等組成材料，對于空間碎片的金屬成分檢測是研究重點。下面為廣泛應(yīng)用的材料檢測手段中適用于金屬化學(xué)成分分析的四種代表性的技術(shù)儀器：直讀光譜儀、掃描電子顯微鏡、X 熒光光譜儀和LIBS光譜儀。

3.1 直讀光譜儀

直讀光譜儀工作原理是利用電火花的高溫使樣品中各元素從固態(tài)直接氣化并被激發(fā)而發(fā)射出各元素的原子發(fā)射特征譜線，每種元素發(fā)射譜譜線強度正比于樣品中該元素的含量，用光柵分光后，這些元素的特征光譜線通過出射狹縫，射入各自的光電倍增管，光信號變成電信號，經(jīng)儀器的控制測量系統(tǒng)將電信號積分進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后由計算機處理，打印出各個元素的百分含量[2]。

直讀光譜儀具有操作簡單，分析快速、結(jié)果準(zhǔn)確、精度高等特點，使其成為分析化學(xué)中重要的儀器分析方法之一，并被廣泛應(yīng)用于鋼鐵和有色冶金行業(yè)爐前快速分析，也成為分析各種常見固體金屬材料的一種普及的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。

但是光譜儀要得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，需要有一定的使用條件：分析標(biāo)樣或控樣與分析試樣時的條件必須一致，才能保證試樣分析準(zhǔn)確可靠。光譜儀室應(yīng)該潔凈，無氣體污染，防震，防電磁干擾，溫濕度適宜等。樣品應(yīng)該均勻，無氣孔，無夾渣，具有代表性。所以樣品激發(fā)前必須進行前處理，表面不能玷污。必須保證試樣能夠?qū)⒓ぐl(fā)臺的激發(fā)孔完全覆蓋，以保證激發(fā)室不漏氣，試樣的厚度應(yīng)該保證激發(fā)時不被擊穿。

3.2 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)是利用聚集非常細的高能電子束在金屬樣件上掃描，搜集激發(fā)出的特征X射線(入射電子激發(fā)樣件原子內(nèi)的電子時，使原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，釋放出具有特征能量和波長的電磁波)，由于特征X射線的波長只取決于樣件物質(zhì)的原子核結(jié)構(gòu)，因此利用X射線能譜(EDS)確定其波長，從而確定樣件所含元素。

掃描電鏡儀器分辨率較高。裝上波長色散X 射線譜儀(WDX)或能量色散X 射線譜儀(EDX)，也能檢測樣品發(fā)出的反射電子、X 射線、陰極熒光、透射電子、俄歇電子等。把掃描電鏡擴大應(yīng)用到各種顯微的和微區(qū)的分析方式，顯示出了掃描電鏡的多功能。

樣品制備簡單。只要將塊狀或粉末狀的樣品稍加處理或不處理，就可直接放到掃描電鏡中進行觀察，因而更接近于物質(zhì)的自然狀態(tài)。但樣品必須干凈、干燥。骯臟、潮濕的樣品會使儀器真空度下降，并可能在鏡筒內(nèi)各狹縫、樣品室壁上留下沉積物，從而降低成像性能并給探頭或電子槍造成損害。樣品必須有導(dǎo)電性。若樣品不導(dǎo)電，電荷累積所形成的電場會使作為SEM成像信號的二次電子發(fā)射狀況發(fā)生變化，極端情況下甚至?xí)闺娮邮淖兎较蚨箞D像失真。

4 能量色散X射線熒光光譜儀

能量色散X射線熒光光譜儀(EDXRF)的工作原理：用X射線管產(chǎn)生的原級 X 射線照射到樣品上，所產(chǎn)生的特征X射線(熒光)直接進入探測器，便可以據(jù)此進行定性和定量分析。可以通過探測元素特征X射線并識別其能量(每種元素的特征X射線都具有特定的能量)，來識別出被測樣品中含有哪些元素；而具有某種能量的 X 射線強度的大小，是與被測樣品中能發(fā)射該能量的熒光X 射線的元素含量多少有直接聯(lián)系，測量這些譜線的強度，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和計算，就可以得出被測樣品中各種元素的含量[3]。特點如下：

(1)元素含量檢測范圍廣。波長色散和能量色散X射線熒光光譜儀的元素含量檢測范圍為10-5%～100%，對液體樣品的檢測最高可達10-9數(shù)量級，滿足多種物質(zhì)的分析要求；

(2)檢測元素種類多。除了 H，He，Li，Be 外，X 射線熒光分析方法可檢測原子序數(shù)范圍為5(B)～92(U)，可提供元素的常量、微量的定性和定量分析；

(3)分析數(shù)據(jù)的可靠性和分析結(jié)果的高精度；

(4)是一種真正意義上的無損檢測方法。不破壞待測樣品，被測樣品在測量前后，無論其化學(xué)成分、重量、形態(tài)等都保持不變；

(5)使用方法靈活。待分析的樣品可為塊狀、液體或粉末狀，同時可用于室內(nèi)、野外分析或直接在線分析；

(6)分析速度快，可以預(yù)篩選大量的樣品。

5 激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)是近幾年逐漸興起的一種光譜檢測技術(shù)，它是原子發(fā)射光譜的一種。利用聚焦的激光脈沖作用于材料表面，形成局部高溫，導(dǎo)局部樣品汽化，致使樣品原子或分子處于激發(fā)狀態(tài)或電離，從而樣品表面形成等離子體羽輝。等離子體中激發(fā)態(tài)原子和離子等弛豫過程中部分能量以光的形式輻射出來，這種輻射光帶有明顯的元素特征信息。然而這種特征譜線往往具有很窄的線寬，因此，需要通過高分辨率的光譜儀收集、記錄和分析輻射出來的光譜而實現(xiàn)對固體、液體和氣體樣品中的化學(xué)元素進行定性和定量析的目的[4]。

LIBS能檢測周期表中幾乎所有的元素，可以在非接觸的條件下進行分析，無需取樣和進行樣品預(yù)處理，所需樣品量少，可同時進行多種組分測量，測量對象可以是固體、氣體或液體，且有較高的靈敏度和較快的反應(yīng)速度。

美國軍方將其與現(xiàn)場表征分析穿透針裝置相結(jié)合從而實現(xiàn)對地下土質(zhì)重金屬污染的量化分析與篩選；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室為火星表面探測專門研制開發(fā)了便攜式LIBS遙測系統(tǒng)，它可對距離數(shù)十米的物質(zhì)進行遙感探測，并在最近幾次火星探測任務(wù)中代替了原來的X射線熒光測試系統(tǒng)，因為火星表面的塵埃阻礙了X射線熒光系統(tǒng)的工作，而激光誘導(dǎo)擊穿光譜則不受其影響。

6 基于LIBS的空間碎片材料檢測方案

6.1 檢測技術(shù)的選取

空間碎片材料主要包括鋁/鋁合金、漆、鋼、銅、鈦、錳等物質(zhì)，其中鋁/鋁合金含量最多，應(yīng)為檢測的重點，對用于空間碎片的產(chǎn)品制造來說，漆不具有再利用價值，因此可不考慮其的檢測。

直讀光譜儀為有損檢測，對樣品的破壞性較大，而且樣品需要進行嚴(yán)格表面處理，對使用環(huán)境要求高；掃描電子顯微鏡也需要進行表面處理，進行成分分析需配合X 射線光譜儀使用，且使用前需進行大量的安裝和調(diào)試工作，調(diào)試時間長，工作較復(fù)雜；X射線熒光光譜儀分析元素有限，主要是用于非輕元素的檢測，對于空間碎片中重點檢測元素Al元素檢出限高。通過對比各材料檢測儀器的特點可知，這三種儀器在空間碎片檢測中的適用性較差。

基于以下優(yōu)點，采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)為首選的技術(shù)檢測手段。

a)可以分析元素周期表中幾乎所有的元素；

b)具有分析速度快、測量精度和靈敏度高、可多元素同時測量；

c)抗污染、無輻射、成本低及安裝簡易；

d)雖然是有損檢測，但對分析對象表面的破壞只有微米量級；

e)無需取樣和進行樣品預(yù)處理；

f)空間適應(yīng)性好，美國軍方曾在火星表面探測上應(yīng)用。

以KT-100 LIBS分析儀為例，目前所能達到功能、性能等技術(shù)指標(biāo)如下：

可分析檢測元素有鈹(Be)、硼(B)、鎂(Mg)、鋁(Al)、硅(Si)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、銀(Ag)、錫(Sn)、鎢(W)、鉛(Pb)、鉍(Bi)等。能快速檢測并鑒別出2-7系鋁合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼、中低合金鋼、鎳合金、鈷合金等合金的牌號和合金成分百分含量，儀器預(yù)裝多基體標(biāo)準(zhǔn)合金庫，合金庫中包括400余種合金牌號，用戶也可自己建立合金牌號庫。

由于在軌有效載荷和運載火箭等的碎片來源于不同國家，而不同國家對材料牌號定義不完全統(tǒng)一，也可能存在國外空間碎片材料的合金牌號未知，目前合金庫中合金牌號包括幾百余種，因此需要不斷積累各種空間碎片不同材料數(shù)據(jù)來進一步增強光譜儀中分析所用的數(shù)據(jù)庫，從而提升空間碎片材料檢測的全面度。

6.2 基于LIBS的檢測方案

材料檢測流程為：收樣→檢測→結(jié)果打印→資料歸檔→材料分類。整個過程各個環(huán)節(jié)所接觸的數(shù)據(jù)或信息量極大，管理控制難度較大，只要其中某個環(huán)節(jié)出了問題，就可能導(dǎo)致檢測過程的反復(fù)。

采用網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化可有效地避免這些問題，更好地確?？臻g碎片檢測的及時性、正確性和完整性，提高檢測速度。如圖2所示，基于LIBS的檢測方案，就是一種以收樣站、檢測站、分類站、管理站、打印站和服務(wù)器共同構(gòu)成的材料檢測智能化網(wǎng)絡(luò)管理多點多線程的檢測方案。以LIBS為終端空間碎片直接檢測儀器，單個碎片的檢測數(shù)據(jù)(檢測結(jié)果、光譜圖譜、樣品圖片和其它信息)輸入到檢測站上，采用客戶站/ 服務(wù)器結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過檢測站上傳網(wǎng)絡(luò)存儲在服務(wù)器上形成數(shù)據(jù)庫，多個檢測站構(gòu)成多線程的檢測方式。其它工作站(如分類站、打印站等)可以直接調(diào)用這些資料，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的自動共享。

收樣站：負(fù)責(zé)空間碎片來樣的登記和管理，并產(chǎn)生流轉(zhuǎn)單，建立整個樣品的臺賬和信息管理。

LIBS：檢測空間碎片成分，可根據(jù)實際需求進行設(shè)計LIBS檢測形式。如根據(jù)輕質(zhì)小型化要求進行便攜性設(shè)計；如根據(jù)檢測距離要求，進行遠程檢測或動態(tài)車載設(shè)計等。

檢測站：空間碎片通過LIBS檢測到的結(jié)果，如成分含量、光譜圖譜、樣品圖片和其它信息等輸入到每個檢測站中，再通過檢測站上傳到服務(wù)器，可實現(xiàn)被檢碎片多線程檢測。

分類站：根據(jù)檢測結(jié)果按照所需成分或金屬牌號對被檢碎片進行分類。

管理站：根據(jù)各站點上傳的數(shù)據(jù)按檢測流程統(tǒng)一調(diào)度。

打印站：將樣品的臺賬和信息管理、LIBS檢測結(jié)果、分類結(jié)果等信息輸出。

7 結(jié)束語

基于LIBS的空間碎片檢測技術(shù)具有檢測全面、分析速度快、測量精度和靈敏度高、成本低及安裝簡

易、無需取樣和進行樣品預(yù)處理以及空間環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，而激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀成為空間碎片檢測的最佳解決方案。然而，隨著人類航天活動日益頻繁，數(shù)量不斷增加，僅通過人工或智能機器人方式來進行材料檢測所需的時間和工作量將難以估量，通過一系列動作，包括空間碎片的輸送、檢測、結(jié)果報送、分類再到傳遞到下一級(空間碎片的產(chǎn)品制備)，實現(xiàn)材料檢測系統(tǒng)的自動化和智能化將大大提高材料檢測的速率。

[1] 焦建超等.基于空間站平臺的空間碎片探測與清除技術(shù)[J].國際太空，2015(4).

[2] 韓春蕾.直讀光譜儀在有色金屬分析中的應(yīng)用[J].電子世界，2013(1).

[3] 張林艷等.能量色散X射線熒光光譜儀的現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代儀器，2008(5).

[4] 汪黎棟等.LIBS檢測用高分辨光纖光譜儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(4).

Study of Material Testing Technology for Space Debris

CHEN Chun-yan WU Sheng-bao DONG Xiao-lin ZHANG Heng-hao WEI Ming

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing 100076, China)

For fast examination of the space debris′composition, the space debris′ source and composition are analyzed, Domestic and international examination technique means aiming at main composition of the space debris are also carried on detailed contrast, a kind of the space debris′examination network project based on the LIBS is adopt. That project has characteristics such as quick analytical speed, high measure accuracy and intelligent degree, diverse vegetable measurable in the meantime, good space adaptability and didn′t need sample to prepare a processing etc. also can carry out full-automation and multi-threading examination process.

Space debris Composition testing Network

2016-09-28，

2017-02-14

陳春燕(1982 -)，女，高級工程師，碩士，主要研究方面：飛行器電氣總體設(shè)計。

1000-7202(2017) 02-0054-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.11

TH879

A