載人航天器內(nèi)腐蝕材料表面原位修護裝置設(shè)計

楊建樓，付玉明*，劉 紅

（1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教育部生物力學(xué)與力生物學(xué)重點實驗室；2.北京航空航天大學(xué)航空航天生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)工程國際聯(lián)合研究中心：北京 100191）

0 引言

隨著人類太空探索活動由短期任務(wù)過渡到長期駐留，微生物在航天員健康、航天器適居環(huán)境可持續(xù)性和任務(wù)成功方面可發(fā)揮的作用及可能造成的影響已成為重要研究方向。其中，航天器因結(jié)構(gòu)或設(shè)備材料受到微生物腐蝕而引發(fā)故障已經(jīng)被多次報道。

空間站、宇宙飛船等載人航天器的密閉艙室因溫度適宜（約22℃）且濕度水平恒定（約60%）而有利于微生物的繁殖，且在低劑量輻射和微重力環(huán)境下，微生物的活性會得到增強。自人類建立第一個在軌空間站以來，就一直飽受微生物污染的困擾。在國際空間站密閉艙室中微生物無處不在；在檢測到的84 種微生物中，多種具有降解金屬材料和高分子聚合材料的腐蝕能力，且由此引發(fā)了儀器故障。在“禮炮6 號”空間站服役期間，在艙室設(shè)備表面發(fā)現(xiàn)了一層白色微生物薄膜，其主要組成為青霉屬、枝孢霉屬和曲霉屬；在“禮炮7 號”空間站服役期間，在艙室零部件的接縫處及電纜上檢測到霉菌，部分材料甚至出現(xiàn)了穿透性的微生物腐蝕。在“和平號”空間站服役期間，研究人員監(jiān)測到腐蝕性微生物對空間站的照明系統(tǒng)、電纜、密封部件、設(shè)備及材料表面造成了嚴重破壞。

我國計劃建成服役期在10 年以上的在軌空間站，進而開展長期載人深空探測工作，因此，必須重視微生物污染問題。目前，對于空間微生物污染的研究大多關(guān)注預(yù)防和監(jiān)控，而對已發(fā)生微生物腐蝕的設(shè)備和材料表面進行修護的研究較少。國際空間站制定了基于空間密閉環(huán)境中微生物防控的持續(xù)監(jiān)控制度和定期清除制度，通過對艙室開展一周一次清潔工作來降低艙室內(nèi)微生物水平。針對材料表面微生物清除的主要方式為用消毒濕巾擦拭，消毒紙巾的抑菌劑主要有效成分為雙季銨鹽抑菌劑和過氧化氫的混合物。對已發(fā)生微生物腐蝕的材料表面進行菌斑清除，并及時進行原位修護，防止微生物再次腐蝕，是保障航天器設(shè)備安全運轉(zhuǎn)并延長其壽命的有效方法。本文針對空間站艙室材料表面腐蝕原位快速修護任務(wù)需求，提出一種在軌腐蝕材料表面原位修護裝置工藝方案，并構(gòu)建出原型系統(tǒng)進行初步驗證。

1 腐蝕材料表面原位修護裝置設(shè)計

1.1 工藝要求

結(jié)合對航天器材料表面修護的功能需求，設(shè)計的修護裝置應(yīng)滿足以下要求：

1）考慮到航天員操作的簡便性，裝置在使用過程中應(yīng)能實現(xiàn)單手輕松操控，不用施以強力，因此，裝置體積要求不大于250mm（長）×100mm（寬）×200mm（高），質(zhì)量不超過1.6kg；

2）考慮到微重力環(huán)境的特殊性，微重力下裝填涂料不能以自由液體的形式流出或漏出，不能有氣泡進入涂料管形成氣液混合（采用一次性涂料容器與噴涂刷頭作為附件，數(shù)量分別不少于10 支）；

3）在使用過程中不能出現(xiàn)修護液外漏，應(yīng)在裝置的出液口處設(shè)計一個涂抹裝置，只有推擠才能出液；

4）為達到快速修護的目的，在修護裝置上設(shè)計一個紫外烘干裝置以加速涂層材料的干燥，同時外加燈罩以避免紫外線外泄。

1.2 設(shè)計思路

修護裝置設(shè)計采用單手膠槍方式，通過扳手利用電機推動活塞實現(xiàn)修護液的滲出，修護液放置在可更換的預(yù)裝單向活塞的注射容器內(nèi)，不會因為活塞前后雙向移動造成氣泡進入涂料管而形成氣液混合；噴涂刷頭頭部采用吸水性好的材料，對與噴涂刷頭連接的注射器出口進行錐形設(shè)計以保障使用過程中修護液不外漏；膠槍噴涂刷頭不用時可取下并采用密封蓋對裝置的注射容器進行密封。

1.3 裝置構(gòu)成及基本操作流程

1.3.1裝置構(gòu)成

根據(jù)上述工藝要求和設(shè)計思路，腐蝕材料表面原位修護裝置由紫外燈（固化）、紫外燈罩、直線電機、噴涂刷、噴涂器1、噴涂器2、開關(guān)、主控模塊、電池組組成（如圖1 所示）。其中：噴涂器1 裝有3%醫(yī)用雙氧水作為化學(xué)氧化溶液，噴涂器2 裝有作者團隊研制的水性聚氨酯抑菌涂料；電池組的輸出電壓為12V，通過開關(guān)1 和開關(guān)2 分別對電動推桿1 和電動推桿2 進行控制，實現(xiàn)電動推桿的伸出和復(fù)位；紫外燈由電池組供電，通過開關(guān)和觸點進行聯(lián)合控制，誤觸開關(guān)后，固化燈不會立即工作，需要紫外燈罩連通觸點后才會正常工作，提高了操作者的使用安全性。此外，該修護裝置的電路部分采用冷壓連接，穩(wěn)定可靠，大大提高了設(shè)備的可使用性。

圖1 腐蝕材料表面原位修護裝置的基本組成Fig.1 Basic composition of the in situ repair device for repairing the microbial corroded surface material

1.3.2基本修護流程

為了保障菌斑清除后材料的修復(fù)，應(yīng)首先采用3%醫(yī)用雙氧水對菌斑清除后的材料表面刷涂清潔，然后進行下面的操作來刷涂抑菌涂料完成整個修護過程。

1）修護液的制備和預(yù)裝

有研究表明，將幾種不同的抑菌劑復(fù)配使用，可以減少抑菌劑的用量，并且可以達到協(xié)同或互補作用，從而使抑菌劑更為高效，同時可以減緩耐藥性的產(chǎn)生。采用課題組前期制備的復(fù)合抑菌劑，此抑菌劑形成的抑菌涂層在接種混合孢子懸浮液培養(yǎng)28 天之后依然保持完好無微生物滋生，其中有機硅季銨鹽、脫氫乙酸鈉鹽和聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽的用量分別為0.38mg/mL、0.69mg/mL 和0.49mg/mL，這3 種抑菌劑的總用量為1.56mg/mL。按照此濃度配比，首先制備抑菌劑水溶液，將復(fù)合抑菌劑水溶液以物理摻混的方式添加到水性聚氨酯抑菌涂料當(dāng)中；之后將盛裝涂料的容器放在恒溫磁力攪拌器中，并在常溫25℃條件下攪拌均勻，吸取水性聚氨酯抑菌涂料于涂料裝填管（噴涂器2）中。將3%醫(yī)用雙氧水吸入化學(xué)氧化溶液裝填管（噴涂器1）中。

2）修護裝置的材料修護

打開化學(xué)氧化溶液裝填管開關(guān)，浸潤其刷頭，手握裝置給待修護材料表面涂抹化學(xué)氧化液進行表面清潔。然后打開水性聚氨酯抑菌涂料裝填管開關(guān)，浸潤其刷頭，手握裝置給待修護材料表面涂抹抑菌涂料。在刷頭干燥后，按下出液按鈕進行補液。此步處理結(jié)束后，推進紫外燈罩，通過觸點打開紫外燈開關(guān)，對修護表面進行紫外照射10min 以加速水性聚氨酯抑菌涂料成膜。此外，通過對比不同空間位置（上、下、側(cè)面）對修護工程的成膜效果進行觀察，確定空間微重力下的涂刷效果。

通過上述操作可以實現(xiàn)“雙氧水預(yù)處理→抑菌涂料修護→紫外快速固化干燥”的工藝，對菌斑清除后的材料實現(xiàn)快速涂抹修護。

2 原位修護裝置載荷強度仿真

為了保證裝置使用過程中的可靠性與穩(wěn)定性，在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，還需盡量減輕裝置質(zhì)量，優(yōu)化外觀，以進一步滿足操作舒適便捷的使用需求。選取把手和中間連接板作為原位修護裝置的關(guān)鍵零件進行力學(xué)仿真。采用ANSYS 軟件，根據(jù)零件的實際材質(zhì)，基于有限元理論將零件進行網(wǎng)格化，可以仿真出零件的形變，輸出應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及位移云圖，分析原位修護裝置的載荷強度。

把手是原位修護裝置的主要操作部位，不僅需要承載整個裝置的重量，還需具備人機工效特點；考慮設(shè)備的輕便性，該把手的制備材質(zhì)為尼龍。圖2所示為把手的ANSYS 仿真結(jié)果，可見：應(yīng)力及應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在把手按鈕處，其中應(yīng)力最大值為1.496×10N/m，應(yīng)變最大值為1.077×10，滿足尼龍材質(zhì)的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變；此外，把手末端有最大位移量，為2.042×10mm，說明把手形變方向變化很小，滿足使用要求。通過上述分析可知，把手結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖2 把手有限元仿真結(jié)果Fig.2 FEM simulation results for the handle

中間連接板是修護裝置所有零部件的連接部件，也是設(shè)備的核心負載部件，其同樣采用尼龍材質(zhì)。仿真結(jié)果如圖3 所示：應(yīng)力及應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在連接板中間靠近把手處，其中應(yīng)力和應(yīng)變的最大值分別為4.62×10N/m2、4.272×10-7N/m，滿足該材質(zhì)的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變；此外，連接板末端有最大位移量，為6.075×10mm，滿足使用要求。通過仿真分析可知，連接板設(shè)計滿足要求，在保證強度的前提下實現(xiàn)了質(zhì)量最小。

圖3 中間連接板仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results for connecting plate

通過上述分析可知：把手和中間連接板采用尼龍材質(zhì)，在實現(xiàn)原位修護裝置使用輕便的前提下保證了載荷強度；該裝置設(shè)計合理，可靠性與穩(wěn)定性滿足要求。

3 地面條件下的有效性、適用性與安全性驗證

對載人航天器艙內(nèi)材料表面的菌蝕斑可以采用“機械摩擦+負壓抽吸+有效殺滅”的方法進行有效清除；為防止其再次發(fā)生腐蝕，還需對被腐蝕的材料表面進行原位修護。為驗證腐蝕材料表面原位修護裝置的修護效果、適用性及安全性，制作了裝置原型樣機并開展了地面實驗驗證。

3.1 實驗方法

3.1.1有效性驗證

實驗中采用本文1.3.2 節(jié)的修護流程對材料進行修護，并對修護后材料的耐微生物腐蝕性能進行測定。

根據(jù)GJB150.10A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中霉菌試驗標(biāo)準(zhǔn)，采用培養(yǎng)皿法對修護后材料進行耐微生物腐蝕性能測試。具體方案與制備菌斑材料一致，選取黑曲霉（，來源于“天宮一號”下行材料）、多主枝孢霉（，來源于海南文昌發(fā)射場）和金灰青霉菌種（，來源于“月宮一號”實驗密閉艙）作為混合菌種，在模擬空間低劑量電離輻射艙室環(huán)境下，對空間站大量使用的橡膠（1147）、硅膠（6144）與聚氨酯（FOAM-65）材料表面進行染菌實驗，溫度條件控制在28℃，相對濕度85%。將所有的修護后材料培養(yǎng)4 周后觀察菌斑形成情況，確認裝置的修護效果。

3.1.2適用性驗證

除具有修護效果外，裝置還應(yīng)具備快速修護、操作便捷安全的特點，能夠通過單手操作完成對背板縫隙材料的修護工作。通過在“月宮一號”密閉艙內(nèi)進行實際操作，分析測試該裝置能否滿足上述使用要求，是否具備誤操作保護功能并可快速更換涂料管與刷頭。

3.1.3安全性驗證

裝置修護過程中，可能會產(chǎn)生紫外線泄漏和產(chǎn)生揮發(fā)性有機物（VOCs）給操作人員帶來潛在的健康風(fēng)險，因此，選用光譜儀AvaSpec-2048 進行修護裝置打開紫外燈干燥涂料過程中的周邊光譜測定，檢測環(huán)境紫外光含量是否增加、是否發(fā)生了紫外泄漏。同時根據(jù)GB18582—2008《室內(nèi)裝飾材料內(nèi)墻涂料中有害物質(zhì)限量》確定了修護前、修護過程中空氣中VOCs 的含量，并對比GJB11A—1998《中國核潛艇艙室空氣組分容許濃度標(biāo)準(zhǔn)》確定修護過程中是否產(chǎn)生了過量的VOCs。

3.2 實驗驗證結(jié)果

3.2.1有效性驗證結(jié)果

模擬菌斑材料的修護效果如圖4(a)所示。可見，經(jīng)過修護裝置噴涂雙氧水—噴涂復(fù)合抑菌劑—紫外烘干的連續(xù)操作后，橡膠（1147）、硅膠（6144）與聚氨酯材料（FOAM-65）都表現(xiàn)出良好的抑菌效果；而未采用修護液，單獨噴涂無菌水、水性聚氨酯的上述3 種材料都再一次發(fā)生了霉菌腐蝕。通過ImageJ 圖像處理可以看到，修護后霉菌再次腐蝕面積在材料表面的占比如下：濾紙+無菌水處理組為98.20%，材料+無菌水處理組為58.52%，材料+水性聚氨酯處理組為23.47%；而材料+復(fù)合抑菌劑處理組僅為1.33%（見圖4(b)）。上述結(jié)果說明裝置所采用的工藝和涂料能夠修護橡膠板、硅膠板與聚氨酯等空間站大量使用的高分子材料。

圖4 修護裝置對橡膠、硅膠、聚氨酯3 種高分子材料的修護效果Fig.4 The effect of repair device in repairing rubber,silicone and polyurethane polymer materials

3.2.2密閉艙室內(nèi)裝置的適用性驗證結(jié)果

使用修護裝置對“月宮一號”密閉艙內(nèi)縫隙背板位置進行了單手實際修護操作，結(jié)果表明：該裝置單手多角度操控靈活，操作保護功能有效，涂料管與噴涂刷的更換簡便迅速，滿足快速修護與操作便捷安全的使用要求；裝置本身既可以由電線供電，也可由自帶的電池電池供電，有效增加了電源供給的靈活性（如圖5 所示）。實驗中對密封艙內(nèi)壁和含有菌斑的材料表面進行了修護，涂抹過程中頭部材料吸水性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)菌斑清除材料的快速涂抹修護（如圖6 所示），并且不同角度下無液體泄漏，保障了在微重力下使用的適用性。

圖5 裝置的操控性能驗證Fig.5 Validation of handling performance of the device

圖6 裝置實際修護過程Fig.6 Actual repair process of the device

3.2.3安全性驗證結(jié)果

實驗開始前先測試了周圍環(huán)境的紫外線強度（波長260～290nm），然后在修護過程中再測試紫外線強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用裝置進行修護的過程中，周圍環(huán)境的紫外線強度沒有增加，說明裝置在修護過程中并無紫外泄漏發(fā)生。

圖7 所示為在密閉艙內(nèi)（14m×3m×2.5m）使用修護裝置進行操作的過程中臭氧和總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）濃度。

圖7 修護過程中臭氧和TVOC 濃度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)容許值的對比Fig.7 The concentration of Ozone and TVOC in the unit during the repair process compared with that of standard

由圖7 可以看到：1）修護過程中，臭氧濃度始終低于0.009mg/m，遠低于中國和俄羅斯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中容許的臭氧濃度（0.08mg/m3[23]和0.03mg/m），且在裝置工作前后無變化，如圖7(a)所示；2）TVOC濃度在修護過程中為0.435mg/m，與修護前的濃度（0.204mg/m）相比有所增加，但遠低于中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中容許的TVOC 濃度（25mg/m），如圖7(b)所示。這說明裝置在修護過程中不會造成密閉艙室內(nèi)發(fā)生臭氧和TVOC 污染，具有良好的安全性。

4 結(jié)束語

本文從載人航天器艙內(nèi)的腐蝕材料表面菌斑清除后需進行表面修護的潛在應(yīng)用需求以及便于航天員操作的角度出發(fā)，研制了一種腐蝕材料表面原位修護裝置，提出了裝置工藝總體方案，對裝置的載荷強度進行了仿真分析，并對該裝置進行了有效性、適用性與安全性驗證。結(jié)果表明：修護裝置對于橡膠、硅膠、聚氨酯3 種高分子材料表現(xiàn)出良好的修護和耐霉菌腐蝕效果；操作便捷安全，能夠?qū)崿F(xiàn)對菌斑清除材料的快速涂抹修護；修護操作過程中無紫外光泄漏，無臭氧污染，TVOC 沒有超過密閉艙內(nèi)的最大允許濃度。

由于地面實驗在某些重要方面（如微重力和輻射）與在軌飛行不同，所以目前對于載入航天艙內(nèi)腐蝕材料表面原位修復(fù)的研究仍有一定局限性。為保證我國空間站長期穩(wěn)定運行，確立并實施合理且高效的微生物防控措施勢在必行。建議在本文的原理樣機的基礎(chǔ)上，通過多部門聯(lián)合進一步開展修護裝置的優(yōu)化研究并開展空間在軌原理樣機驗證，以提升我國載人航天器在軌防控微生物污染與腐蝕的能力，保障航天員健康和提升空間站任務(wù)效能。