航天服材料的靜電吸附效應(yīng)地面試驗研究

路子威，季啟政，唐 旭，馮 娜，韓炎暉，梅 飛，李振陽

（1. 中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094； 2. 陸軍工程大學(xué)，石家莊 050003；3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 4. 北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

暴露在空間環(huán)境下的空間站結(jié)構(gòu)體與空間等離子體相互作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生-100 V 左右的電位?？臻g站航天員在出艙活動時，航天服表面的陽極氧化材料會由感應(yīng)帶電形成低電位，在航天服與空間站表面間形成電場。同時，由于空間站發(fā)動機(jī)尾流、材料出氣等會向周圍釋放各種空間塵粒等污染物，這些污染物粒子在等離子體作用下帶負(fù)電，在電場力作用下會吸附到航天服表面，產(chǎn)生空間塵粒污染的靜電增強(qiáng)吸附效應(yīng)問題。這種附著在航天服上的污染物不僅會對航天服本身造成損傷，如果隨航天服進(jìn)入空間站內(nèi)，還會對航天員的健康及空間站內(nèi)部儀器設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅。

本文首先分析了空間站-航天服靜電起電模型及帶電塵粒在電場作用下的靜電吸附機(jī)理；然后利用所研制的靜電吸附效應(yīng)地面模擬試驗裝置對4 種典型航天服材料開展靜電吸附效應(yīng)模擬試驗與驗證；最后基于本文試驗結(jié)果提出降低塵粒污染增強(qiáng)效應(yīng)危害的建議。

1 航天服靜電吸附機(jī)理

1.1 空間站-航天服靜電電場

空間站在軌運(yùn)行時，空間站結(jié)構(gòu)與等離子體發(fā)生相互作用，使結(jié)構(gòu)體帶懸浮電位。此外，空間站在電離層等離子體環(huán)境快速運(yùn)動過程中切割地球磁場也會產(chǎn)生感應(yīng)電位。如圖1 所示，空間站相對空間等離子體環(huán)境電位產(chǎn)生結(jié)構(gòu)懸浮電位，典型值約為-120 V。

圖1 航天員自主出艙時形成的靜電場Fig. 1 The electrostatic field formed during astronaut’s autonomous extra-vehicular activity

當(dāng)航天員為自主出艙模式時，航天服對空間等離子體環(huán)境的電容很小，會在空間等離子體作用下很短的時間內(nèi)與等離子體環(huán)境達(dá)到電位平衡，航天服對等離子體環(huán)境的電位約為-1～-2 V?？臻g站-航天服之間電位差（-）形成的電場對空間中荷電的塵埃粒子產(chǎn)生靜電吸引作用，將塵埃粒子吸附到航天服上。

1.2 帶電塵粒在電場作用下的靜電吸附過程

空間環(huán)境中的塵埃顆?？梢暈榈入x子體環(huán)境下運(yùn)動的非偏置固體，在太陽平靜期，由于低地球軌道環(huán)境的電子平均速度遠(yuǎn)大于離子平均速度，到達(dá)塵埃粒子表面的電子數(shù)目將大于離子數(shù)目，所以在電子與離子的作用下并且電位動態(tài)平衡時，粒子的表面電位將達(dá)到一個穩(wěn)定負(fù)電值，在電場作用下粒子會沉積在陽極板上。航天服（-1～-2 V）電位高于空間站（-120 V）電位，因此航天服作為陽極是塵埃顆粒積累的主要位置。

帶電的塵粒在電場力的作用下驅(qū)向并到達(dá)航天服表面后，交出所帶電荷并形成污染沉積（如圖2 所示），此為塵埃粒子在航天服上的吸附過程。吸附過程的主要作用力為庫侖力，塵粒距離吸附表面很近且表面為金屬材料時庫侖力可近似表示為

圖2 帶電粒子受庫侖力吸附的過程Fig. 2 The process of charged particle adsorped by Coulomb force

式中：為常數(shù)（9.0×10N·m/C）；為塵粒上的電荷；為塵粒的直徑。庫侖力與平衡電荷和塵粒直徑相關(guān)。

對于圖2 所示情形，當(dāng)粒子所帶電荷為，表面帶有極性相反的電荷時，沉積在表面上的粒子總數(shù)為

式中：為沉積粒子總數(shù)；為空間中的粒子數(shù)密度，m；為每個粒子所帶電荷，C；為表面電場強(qiáng)度，V·m；為粒子的機(jī)械導(dǎo)納，m·N·s；為電荷均勻分布的表面面積，m；為時間，s。

值得注意的是并不需要航天服表面和粒子都帶電才能發(fā)生吸附現(xiàn)象。在航天服表面呈電中性的情況下，帶電塵粒通過電場的靜電感應(yīng)，能夠使航天服表面介質(zhì)材料發(fā)生極化效應(yīng)，即航天服表面的聚合物分子發(fā)生取向極化，在帶電塵粒附近的航天服表面及其周邊區(qū)域聚集與粒子電性相反的電荷，從而在庫侖力作用下，帶電塵粒發(fā)生吸附。這一吸附過程如圖3 所示。

圖3 帶電塵粒誘導(dǎo)表面帶電并吸附至表面的過程Fig. 3 The process of charged dust particle inducing surface charging and being adsorbed to the surface

一般空間帶電塵粒處在=1 和=10 間的狀態(tài)。圖中=1、=100 V/cm 的曲線和=10、=100 V/cm 的曲線的中間部分，能體現(xiàn)空間站航天員出艙作業(yè)時與空間站觸摸、分離過程的典型電場及粒子帶電情況，即在100 V/cm 的電場強(qiáng)度下，粒徑為0.01～0.1 μm 的粒子以0.1～10 cm/s 的速率沉積，粒徑為0.1～10 μm 的粒子以0.01～0.1 cm/s 的速率沉積。

2 靜電吸附效應(yīng)地面模擬試驗

空間站在軌運(yùn)行時，一般會安裝電位控制器減弱航天器的整體帶電情況，使得航天服-空間站間靜電電場場強(qiáng)較低。但由于大多數(shù)塵埃粒子在空間中都會在等離子體作用下帶負(fù)電，很少存在不帶電情況，所以勢必會發(fā)生向航天服的吸附效應(yīng)。

圖4 顯示了幾種典型帶電狀態(tài)下表面污染粒子沉積速率與粒徑的關(guān)系，其中描述的是粒子電荷的Boltzmann平衡分布狀態(tài)：=0 為粒子不帶電狀態(tài)；=1 為暴露于雙極空氣離子云中粒子的電荷狀態(tài)；=10 為潔凈環(huán)境氣溶膠最可能的電荷狀態(tài)。

圖4 幾種典型帶電狀態(tài)下表面污染粒子沉積速率與粒徑的關(guān)系Fig. 4 The relationship between radius of typical charged particles and deposition rate of surface pollution particles

2.1 試驗設(shè)備

為驗證在空間低軌等離子體環(huán)境中電子俘獲帶電的航天服材料與空間站結(jié)構(gòu)體形成電場后，帶電的塵埃粒子在電場作用下的靜電增強(qiáng)吸附效應(yīng)，研制了靜電吸附效應(yīng)模擬裝置（如圖5 所示）。

圖5 靜電吸附效應(yīng)模擬裝置示意Fig. 5 Schematic diagram of the simulator facility for electrostatic adsorption effect

靜電吸附效應(yīng)模擬裝置由真空室、真空系統(tǒng)、平移臺和測量裝置組成。真空室為前開門，前門和真空室側(cè)壁設(shè)有觀察窗，底部設(shè)有真空抽氣口；頂部安裝電子槍，電子槍發(fā)射的電子束照射航天服材料，能模擬低地球軌道電子對材料的荷電作用。由于塵埃粒子的荷電和試驗測試模擬條件復(fù)雜，測試需使用接觸測試方法，并破壞被測對象的帶電情況，所以在本試驗裝置中沒有使用塵埃粒子實物作為試驗樣品，而是在真空室內(nèi)安裝靜電球，通過在靜電球上施加靜電壓形成高壓電場，模擬塵粒帶電時的電場情況。平移臺可帶樣品臺在電離工位（電子槍位置）、靜電電壓測量工位（探頭位置）和物理現(xiàn)象觀察工位（靜電球位置）3 個工位之間移動。試驗進(jìn)行時，樣品臺上放置被測樣品，利用電子槍先對樣品荷電，然后使用平移臺將材料樣品移動至靜電球位置下，能初步定性觀察帶電材料與帶電球間的作用關(guān)系，并定量描述航天服保持電子能力（荷電效率）。

2.2 試驗材料

選擇鍍ITO 的Kapton 薄膜、雙面鍍鋁Kapton薄膜、無紡布、滌綸網(wǎng)4 種材料模擬航天服的表面情況。鍍ITO 的Kapton 薄膜用來模擬航天服的面罩材料；雙面鍍鋁Kapton 薄膜用來模擬航天服的連接關(guān)節(jié)（包括手環(huán)、臂環(huán)等）金屬表面等部分；無紡布用來模擬航天服表面的主體織物表面材料；滌綸網(wǎng)用來模擬航天服表面的聚酯材料。4 種材料基本覆蓋了航天服表面的主要材料。

2.3 試驗過程

對上述4 種航天服表面材料模擬樣品按圖6所示流程開展靜電吸附效應(yīng)模擬試驗。試驗中的極限真空度可達(dá)1.0×10Pa。

圖6 靜電吸附效應(yīng)地面試驗流程Fig. 6 Flowchart of ground test of electrostatic adsorption effect

測試時在靜電球上加直流高壓形成電場，每種材料都能在靜電吸附作用下克服重力作用，吸附到靜電球上，如圖7 所示。

圖7 4 種材料的靜電吸附效應(yīng)Fig. 7 Electrostatic adsorption effect of four kinds of materials

2.4 試驗結(jié)果及分析

表1 材料的試驗實測數(shù)據(jù)Table 1 Test data of materials

表2 材料的電子槍荷電效率分析Table 2 Analysis of charging efficiency of material by electron gun injection

分析表中試驗數(shù)據(jù)可知：1）材料在低地球軌道等離子體環(huán)境中有明顯的帶電現(xiàn)象，并且由帶電導(dǎo)致的靜電吸附力足以克服物質(zhì)的重力，使材料吸附到靜電球上；2）在模擬裝置的電子槍輻照條件下，電子槍發(fā)射的電子并不能全部被收集到材料上，究其原因，一方面是高能量的電子能夠穿透材料使得材料帶電量低于理論值，另一方面荷電材料上的電子在真空環(huán)境下能發(fā)生沿面閃絡(luò)放電而消散的情況而導(dǎo)致荷電量下降；3）比較4 種材料的保持荷電電子能力（荷電效率），無紡布最好，雙面鍍鋁Kapton薄膜最差，這是因為無紡布的質(zhì)量最大、厚度較厚且為非靜電導(dǎo)體材料，而雙面鍍鋁的Kapton 薄膜質(zhì)量最低、厚度較薄且為靜電導(dǎo)體材料。但也可以看出一個普遍存在的情況，即不論材料保持荷電的能力如何，材料在荷電后受到的靜電吸附力都能克服重力，吸附至靜電球。考慮到空間中的失重條件，塵埃粒子不必在幾千甚至上萬的靜電電位條件，只需在千伏、百伏量級的靜電電位下，就足以產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電吸附作用而吸附到航天服表面。

3 結(jié)論與建議

上述分析和試驗表明，航天服表面各模擬材料都會對空間中的塵埃粒子產(chǎn)生靜電吸附效應(yīng)。航天服的主體材料——航天服織物表面荷電效率可達(dá)33%，具有較強(qiáng)的保持帶電能力，在帶電塵粒環(huán)境下對塵埃粒子的靜電吸附力較強(qiáng)，粒子能吸附在表面不易脫落，有明顯的吸附現(xiàn)象；航天服表面的聚酯材料、面罩的荷電效率可達(dá)5%，也有一定的靜電保持能力，可吸附帶電塵埃粒子；金屬表面的荷電效率最低，約為2%，但試驗現(xiàn)象表明，金屬材料也具有靜電吸附效應(yīng)，也能發(fā)生一定的靜電吸附現(xiàn)象。

目前我國已完成空間站的發(fā)射，已有航天員在空間站長期駐留并進(jìn)行出艙作業(yè)，將來隨著出艙作業(yè)的時間和頻次的增加，航天服必將面臨空間塵粒污染的靜電吸附增強(qiáng)效應(yīng)問題，為此，本文提出如下建議：

1）基于航天服上存在污染物顆粒附著污染的問題，在空間站的氣閘艙內(nèi)設(shè)計針對相關(guān)污染物的清除裝置，特別是針對污染物顆粒在服裝表面的靜電吸附增強(qiáng)效應(yīng)，應(yīng)設(shè)計靜電消除裝置，使污染物顆粒更易于從服裝表面脫除。

2）采取必要措施對航天服表面，特別是航天服主體材料的織物及聚酯材料表面進(jìn)行處理，減弱或消除其靜電吸附增強(qiáng)效應(yīng)，使污染物更易從服裝表面脫除，并通過后續(xù)對脫塵的收集、清除實現(xiàn)保持航天服潔凈的目的。