太空里也需要“防腐”？

浩瀚的宇宙中存在著無數(shù)的奧秘，它無時無刻不在吸引著人類去探索、發(fā)現(xiàn)。為了揭開其神秘面紗，世界各國相繼借助于各種航天器訪問太空，并建立了可供多名宇航員長期工作和生活的空間站。廣袤無垠的宇宙是不是最理想的世外桃源呢？很遺憾，太空的真實(shí)環(huán)境非常不友好！

復(fù)雜的太空環(huán)境不但對航天器的光機(jī)電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而且對航天器的“外衣”也提出了嚴(yán)酷的要求。有人可能認(rèn)為，太空既然是高真空環(huán)境、沒有水存在，航天器應(yīng)該不會像在地球上那樣發(fā)生腐蝕吧。然而，事實(shí)并非如此。

專家名片

韓恩厚：中國科學(xué)院金屬研究所材料環(huán)境腐蝕研究中心主任，博士生導(dǎo)師，國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任，國家材料服役安全科學(xué)中心（籌）建設(shè)項(xiàng)目指揮部副總指揮、首席科學(xué)家，金屬腐蝕與防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會主任，現(xiàn)任中國科學(xué)院沈陽分院院長。

宋影偉：博士，研究員，碩士導(dǎo)師，材料環(huán)境腐蝕中心主任助理?，F(xiàn)任中國材料研究學(xué)會鎂合金分會理事，國際期刊“Recent Patents on Corrosion Science”編委。

不容忽視

的太空腐蝕

美國的哥倫比亞號航天飛機(jī)，2003年在執(zhí)行完任務(wù)返回地面途中不幸失事，機(jī)組成員全部失蹤

讓我們先來看兩個例子。

和平號空間站是前蘇聯(lián)建筑的一個軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸了俄羅斯），它是人類首個可長期居住的空間研究中心，在長達(dá)15年的在軌時間里，和平號共發(fā)生近2000處故障，70%的外體遭到腐蝕，俄羅斯政府無力承擔(dān)巨額的維修費(fèi)用，在2001年3月20日不得不將其墜毀。

還有美國著名的哥倫比亞號航天飛機(jī)的例子，美國哥倫比亞號和空間運(yùn)輸系統(tǒng)-107機(jī)組人員于2003年2月1日折返途中丟失，盡管哥倫比亞號事故調(diào)查部（CAIB）排除了是航天器腐蝕造成事故的可能，但提出了要求采取長期的腐蝕檢測措施的議案?？梢?，航天領(lǐng)域的腐蝕不容忽視。

人類探索太空的腳步越來越快，越來越多涉足太陽系的其他星球，在這些星球航天器是否也會發(fā)生腐蝕呢？據(jù)介紹，科學(xué)家在火星大氣上部被稱為中間層的區(qū)域探測到了原子氧。另外，發(fā)現(xiàn)金星表面溫度高達(dá)400多攝氏度，其云層由有毒的腐蝕性較強(qiáng)的硫化物組成。由此可見，太陽系其他星球的環(huán)境對航天器也是不友好的，這些因素都會加速航天器材料的腐蝕。

那么，太空中究竟有哪些環(huán)境因素會對航天器造成腐蝕呢？

太空環(huán)境中的腐蝕因素

太空不僅有宇宙大爆炸時留下的輻射，還有各種天體在向外輻射電磁波，甚至許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線。眾所周知，宇航員出倉行走都要穿著厚厚的宇航服，主要就是為了避免強(qiáng)輻射太空環(huán)境帶來的對人體的危害，其實(shí)，強(qiáng)輻射環(huán)境對航天器的傷害亦十分嚴(yán)重。

其中，短波太陽輻射會導(dǎo)致氧分子分解，產(chǎn)生高活性原子氧，原子氧具有極強(qiáng)的氧化性，可與空間飛行器的表面材料反應(yīng)，尤其是當(dāng)原子氧遇到聚合物材料，發(fā)生的反應(yīng)更劇烈。原子氧所形成的高熱能離子流足以使航天器材料中的許多化學(xué)鍵破裂，導(dǎo)致材料發(fā)生性能變化，例如使衛(wèi)星、空間站等在軌航天器的保護(hù)層逐漸氧化變薄失效。即使是金屬材料，在原子氧的作用下也會發(fā)生明顯的腐蝕氧化。NASA（美國國家航空航天局）等科研機(jī)構(gòu)所開展的飛行實(shí)驗(yàn)、長期暴露實(shí)驗(yàn)和有限期選擇性暴露實(shí)驗(yàn)都進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，我國的實(shí)驗(yàn)室也有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

太陽紫外線輻射是導(dǎo)致材料失效的另一重要因素。紫外線雖然僅占太陽光的5%左右，但能量卻很大。在太空中，由于缺少大氣層對紫外線的阻擋，航天器會完全暴露在極強(qiáng)的紫外線輻射之下。高分子聚合物制品吸收紫外線后，能引發(fā)聚合物自我氧化、降解，破壞聚合物的化學(xué)鍵，使其斷裂、交聯(lián)，進(jìn)而導(dǎo)致高分子聚合物制品顏色等外觀發(fā)生改變、物理力學(xué)性能發(fā)生惡變、使用壽命縮短。

此外，太空中極端的溫度環(huán)境也會加速航天器材料的失效。航天器在太空中飛行，處于真空環(huán)境下，由于沒有空氣傳熱和散熱，故其受陽光直接照射的一面可產(chǎn)生高達(dá)100℃以上的高溫，而太陽照射不到的另一面，溫度則可低于-200℃。極端溫度和大幅度冷熱交變會影響材料中的應(yīng)力，尤其在高溫環(huán)境中進(jìn)一步加速導(dǎo)致材料失效的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，降低材料的安全服役壽命。

此外，大量存在的太空垃圾嚴(yán)重影響材料的安全使用性能。太空垃圾又稱空間碎片，是圍繞地球軌道的無用人造物體，小到人造衛(wèi)星碎片、漆片、粉塵，大到整個飛船殘骸都屬于太空垃圾。全世界各國共執(zhí)行了超過4000次的發(fā)射任務(wù)，產(chǎn)生了大量的太空垃圾。太空垃圾以宇宙速度運(yùn)行，極小的太空垃圾數(shù)量較多，一旦撞擊到航空器表面，能嚴(yán)重改變材料的表面性能；稍大的太空垃圾會損壞航天器表面材料，形成撞擊坑，這些撞擊會使航天器表面材料汽化為等離子體云團(tuán)，加速材料的失效進(jìn)程。

太空防腐：為航天器穿上保護(hù)衣

通過前面的介紹，我們可以看到，如果航天器在如此復(fù)雜的太空環(huán)境中長期運(yùn)行，腐蝕就是無法避免的。

為了確保航天器的安全運(yùn)行，世界各國材料方面的科學(xué)家對減少航天器材料腐蝕這一課題進(jìn)行了積極的研究和探索。

研究表明，控制航天器在太空中發(fā)生腐蝕的主要方法包括：選擇和發(fā)展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕的高性能材料；采用涂層和涂料技術(shù)。對于航天器外部腐蝕控制，最重要的技術(shù)是防護(hù)涂層，如電鍍、化學(xué)鍍、真空離子鍍、陽極氧化、化學(xué)氣相沉積、涂料等。通過表面處理技術(shù)形成新的表面，可有效提高結(jié)構(gòu)的耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗氧化等性能。

我國的眾多航天型號神舟、天宮、嫦娥等都需要解決腐蝕防護(hù)問題，包括地面存放時不發(fā)生腐蝕，太空使用環(huán)境中要能抵抗太空原子氧腐蝕，同時要滿足電磁屏蔽、冷熱循環(huán)等綜合性能要求。為了實(shí)現(xiàn)減重，航天器使用大量輕合金，鎂合金是減重常用材料，但其腐蝕問題成為關(guān)鍵技術(shù)難題。

中國科學(xué)院金屬研究所在這方面做了很多工作，科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的鎂合金化學(xué)鍍技術(shù)滿足了若干航天器的使用要求。

此外，針對不同使用條件下部件對耐腐蝕性的不同要求，金屬所科研人員研究的鎂合金自封孔型微弧氧化技術(shù)耐蝕性比傳統(tǒng)技術(shù)提高4～5倍，可同時滿足地面儲存耐腐蝕、使用時高低溫、強(qiáng)輻射等綜合性能要求，已在長征系列運(yùn)載火箭的鎂質(zhì)貫組支架上使用。這些航天器的成功發(fā)射也證明了以上防護(hù)涂層技術(shù)的安全可靠性和先進(jìn)性。

太空中針對航天器的破壞無時無刻不在，這是沒有硝煙的戰(zhàn)場。讓我們行動起來，利用自己的聰明才智，在人類探索宇宙的過程中留下一串深深的足跡……