空間環(huán)境下磁性液體潤滑／密封初探*

張永超 李湘帆 王婭萍 溫明富 牛小東

（1. 汕頭大學(xué)工學(xué)院 廣東汕頭 515063； 2. 汕頭大學(xué)智能制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東汕頭 515063）

近年來， 我國空間探索工程快速穩(wěn)步推進(jìn)， 從繞地運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、 “天宮號(hào)” 載人空間站到“嫦娥” 探月計(jì)劃、 “天問一號(hào)” 火星探測(cè)項(xiàng)目成功開展， 中國正逐步解開古人對(duì)宇宙“日月安屬、列星安陳” 的千古疑惑， 實(shí)現(xiàn)“盡攬九天星河， 扶搖勢(shì)、 取北斗” 的宏偉暢想。 可以預(yù)見， 隨著太空探索的不斷深入， 空間飛行器和相應(yīng)設(shè)備的研發(fā)也將面臨更加嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。 在數(shù)年甚至數(shù)十年的工作期間， 空間裝備活動(dòng)部件要保持長(zhǎng)期高效高精度運(yùn)行， 離不開強(qiáng)大優(yōu)異的潤滑／密封技術(shù)提供支持和保障。 不同于常規(guī)設(shè)備， 空天裝備具有工作環(huán)境苛刻、工作周期長(zhǎng)、 機(jī)構(gòu)質(zhì)能密度要求高、 維護(hù)難度大等特點(diǎn)， 除了載人飛行器上的部分系統(tǒng)外， 其他部件在軌運(yùn)行時(shí)其裝備幾乎不可能進(jìn)行維護(hù)操作， 一旦發(fā)生故障， 極有可能危及整個(gè)任務(wù)的實(shí)施， 造成難以估量的損失[1］。 另外， 適應(yīng)空間開發(fā)建設(shè)目的的空間機(jī)械臂等大功率機(jī)械還對(duì)潤滑／密封結(jié)構(gòu)提出了“高速”、“精確”、 “大承載” 等新的技術(shù)要求。 磁性液體作為一種新型磁控智能材料， 通過將納米級(jí)磁性顆粒分散于水基、 油基或其他成分的載液中， 形成的均質(zhì)膠體具有獨(dú)特流動(dòng)性和磁致伸縮性， 具有優(yōu)異的潤滑／密封性能。 磁性液體的正式應(yīng)用始于其成功地解決了宇航服活動(dòng)關(guān)節(jié)密封及宇宙飛船失重狀態(tài)下的液體輸送問題[2］。 此后， 其良好的物化性質(zhì)使得磁性液體在軸承潤滑／密封[3-5］、 阻尼減振[6-8］、 醫(yī)療器械[9-11］等領(lǐng)域取得了迅猛的發(fā)展應(yīng)用。

圖1 展示了一種常見的磁性液體潤滑／密封結(jié)構(gòu)。磁性液體被注入由永磁體、 極片和軸構(gòu)成的磁路中，填充極片和軸之間的間隙， 形成若干液體“O” 形環(huán)， 保持潤滑的同時(shí)也可起到一定的密封作用。 磁性液體用于潤滑／密封具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 壽命長(zhǎng)、 可控性強(qiáng)的特點(diǎn)， 可實(shí)現(xiàn)定域潤滑進(jìn)而有效減小摩擦； 此外， 磁性液體可實(shí)現(xiàn)潤滑／密封一體設(shè)計(jì)， 其所獨(dú)有的自密封性、 自修復(fù)性、 自清潔性， 是常規(guī)潤滑劑／密封介質(zhì)所不具備的顛覆性優(yōu)勢(shì)。

圖1 一種常用的磁性液體潤滑／密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical magnetic fluid lubrication and seal structure

目前， 相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)常規(guī)工況下的磁性液體潤滑／密封已經(jīng)有了較為詳細(xì)的介紹[3，10，12-19］， 但是對(duì)于磁性液體應(yīng)用于空間飛行器潤滑／密封問題的可行性研究較少。 目前關(guān)于航天用金屬密封和航天用常規(guī)潤滑劑等領(lǐng)域的研究較多[20-27］， 但是關(guān)于磁性液體用于航天器／航天設(shè)備潤滑／密封的報(bào)道大多集中在早期的研究中， 新近研究極少， 可能是相關(guān)資料保密的原因。早期美國JPL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員[28］認(rèn)為磁性液體密封具有無磨損、 零泄漏和速度范圍廣等三大優(yōu)點(diǎn)， 是解決空間動(dòng)軸密封的有效方式之一。 波音公司和NASA 曾將鐵磁性液體應(yīng)用于空間站散熱系統(tǒng)[29］的轉(zhuǎn)軸上， 以防止液氨冷卻劑泄漏， 最終的磁性液體密封方案滿足360°可連續(xù)旋轉(zhuǎn)、 零泄漏、 易維護(hù)、 10 年無替換壽命設(shè)計(jì)、 99%可靠性以及磁性液體與氨不互溶等多項(xiàng)要求。

磁性液體潤滑的自回位性、 自修復(fù)性以及對(duì)潤滑機(jī)制的改善， 是其區(qū)別于其他潤滑／密封策略的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 首先， 在磁性液體潤滑／密封處， 磁性液體的磁致伸縮性使得將要溢出的磁性液體介質(zhì)自動(dòng)“吸回” 接觸表面， 起到自回位作用， 可有效避免潤滑劑逸散問題。 其次， 當(dāng)壓力過大導(dǎo)致出現(xiàn)密封泄漏或潤滑失效后， 若壓力恢復(fù)到容許范圍內(nèi)， 磁場(chǎng)作用會(huì)自動(dòng)調(diào)整磁性液體分布， 使其恢復(fù)到原始密封、 潤滑狀態(tài)， 可大幅降低設(shè)備維護(hù)難度。 最后， 一方面磁性液體中磁性顆粒的存在可利用滾珠效應(yīng)將摩擦副之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦， 從機(jī)制上改善摩擦性能； 另一方面， 納米級(jí)的磁性粒子沉積、 填充在潤滑表面的損傷紋理中[30］， 對(duì)潤滑表面摩擦磨損可起到修復(fù)作用， 降低潤滑面的表面粗糙度、 增強(qiáng)潤滑吸附性、 延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命[18，31］。 另外， 磁性液體在長(zhǎng)期而廣泛的工業(yè)實(shí)踐中表現(xiàn)出的穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)和充分的技術(shù)積累， 使其能夠滿足航天工業(yè)商用材料選擇的保守性原則。

本文作者從宇宙空間的典型特征出發(fā)， 考察空間潤滑／密封問題所面臨的要求和挑戰(zhàn)， 以相似環(huán)境下地表磁性液體潤滑／密封應(yīng)用進(jìn)展作為參考， 討論磁性液體用于空間飛行器潤滑／密封問題的可行性； 最后根據(jù)磁性液體極端工況潤滑／密封技術(shù)的當(dāng)前進(jìn)展和局限性， 提出發(fā)展空間環(huán)境下的磁性液體潤滑／密封所亟待解決的科學(xué)問題以及可能的研究方向。

1 空間環(huán)境

量化考慮空間環(huán)境的影響是航天設(shè)備研發(fā)的重要前提。 1967 年， FAGAN 和WILSON[32］在討論空間裝備保障問題時(shí)， 提出了4 類對(duì)航天器和人類空間活動(dòng)影響重大的環(huán)境參數(shù)， 即失重、 輻射、 高真空和微流星體， 并基于這4 類參數(shù)闡述了空間環(huán)境對(duì)空間裝備維護(hù)的影響， 如表1 所示。 在真空失重狀態(tài)下， 設(shè)備的移動(dòng)和存儲(chǔ)需要以全新的方式考慮以便于適應(yīng)新的環(huán)境。 而輻射和微流星體高速撞擊導(dǎo)致的航天器結(jié)構(gòu)失效和破壞威脅， 也必須加以認(rèn)真考量。 另外，F(xiàn)INCKENOR[25］和HOFZ[28］的工作中還提到了航天器所面臨的熱循環(huán)問題。 航天器在軌運(yùn)行時(shí)反復(fù)穿越陽光照射和陰影區(qū)域， 會(huì)經(jīng)歷大溫度跨度的熱循環(huán)過程。 因此設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的熱控系統(tǒng)及熱管理策略則顯得尤為重要。 NASA 曾為1968 年開啟的Apollo 應(yīng)用項(xiàng)目（Apollo Application （AA） Program） 提出了三類實(shí)驗(yàn)（地球相關(guān)數(shù)據(jù)收集、 與外層空間環(huán)境有關(guān)的實(shí)驗(yàn)、 探索永久載人空間站和星際飛行能力的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)） 作為未來拓展空間飛行范圍和延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間的重要準(zhǔn)備工作。 另一方面， 宇宙空間廣袤無垠， 空間環(huán)境變量的估計(jì)也不應(yīng)一成不變[32］。 實(shí)際上， 僅就地球周圍低、 中、 同步軌道而言， 也可明顯看出主要環(huán)境影響因素的變化， 如圖2 所示[33］。 從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)， 除一些普遍性存在的問題如太陽光照和真空外， 隨軌道高度的升高， 差異性變量經(jīng)歷了原子氧、范-艾倫帶到太陽耀斑的變化。 不僅如此， 即使單純討論空間輻射強(qiáng)度問題， 在范-艾倫帶內(nèi)、 外運(yùn)行的航天器也面臨比低地球軌道運(yùn)行的航天器更高的輻射水平[25］。

圖2 空間環(huán)境隨軌道高度的變化情況[33］Fig.2 Space environment vary with orbit height[33］

表1 空間環(huán)境的主要變量及影響[32］Table 1 Main variables and influences of space environment[32］

綜合以上內(nèi)容， 對(duì)空間環(huán)境影響進(jìn)行量化， 一方面應(yīng)考慮輻射、 真空、 熱循環(huán)等環(huán)境參數(shù)， 另一方面也應(yīng)充分關(guān)注環(huán)境變量水平隨空間位置不同而產(chǎn)生的巨大差異。 這需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測(cè)量、 收集工作，并開展相對(duì)應(yīng)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)。 地面觀測(cè)站和現(xiàn)有儀器受到地球大氣層的影響， 會(huì)產(chǎn)生不必要的背景噪聲和其他污染。 NASA 曾開發(fā)的用于環(huán)境預(yù)測(cè)的基本分析工具， 以及用于環(huán)境描繪和性能驗(yàn)證的測(cè)量系統(tǒng)[34］或可作為借鑒， 以便于能夠更好地了解自然環(huán)境和人造微環(huán)境對(duì)空間探索的影響。

最后， 環(huán)境因素的影響還應(yīng)考慮航天器的任務(wù)周期問題。 航天器的任務(wù)期可以分為4 個(gè)不同的階段：發(fā)射前的地面操作階段、 發(fā)射階段、 返回再入地球大氣層階段和空間操作階段。 表2 列出了各個(gè)階段的環(huán)境特點(diǎn)， 并對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了舉例[35］。 在進(jìn)行空間裝備設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)充分考慮整個(gè)任務(wù)期內(nèi)航天器所處的環(huán)境變化， 以便于選擇具有充分環(huán)境適應(yīng)性和性能可靠性的結(jié)構(gòu)和材料。

表2 航天器的4 個(gè)任務(wù)階段及特點(diǎn)[35］Table 2 Four phases and related characteristics of spacecraft mission[35］

在外太空環(huán)境中， 空間裝備面臨的首要威脅就是泄漏問題， 故實(shí)現(xiàn)積極可靠的密封對(duì)航天任務(wù)的成功至關(guān)重要。 而密封策略的選擇需要重點(diǎn)考慮真空、 溫度和輻射對(duì)環(huán)境的影響， 同時(shí)兼顧航天器在不同任務(wù)期內(nèi)面臨的環(huán)境變化情況， 根據(jù)航天器要求的任務(wù)范圍針對(duì)性設(shè)計(jì)相適應(yīng)的潤滑／密封策略。 未來， 空間裝備承載性能的增長(zhǎng)是大勢(shì)所趨， 大型、 超大型空間結(jié)構(gòu)在太空環(huán)境下的組裝和發(fā)射任務(wù)要求更高推力的運(yùn)載工具及更大承載能力的空間操作和運(yùn)輸裝備。 承載力的大幅提升嚴(yán)重考驗(yàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的潤滑能力， 特別是在惡劣的空間環(huán)境下， 潤滑／密封失效將導(dǎo)致難以估量的后果。 一個(gè)典型的因潤滑設(shè)計(jì)不足出現(xiàn)問題的實(shí)際案例， 是國際空間站上的太陽阿爾法旋轉(zhuǎn)接頭（Solar Alpha Rotary Joint， SARJ） 失效事件。 國際空間站上的SARJ 用于支撐太陽能電池陣列進(jìn)行姿態(tài)旋轉(zhuǎn)以便于實(shí)現(xiàn)最大程度地接收光照， 在任務(wù)過程中，滾動(dòng)表面的氮化物涂層發(fā)生剝落， 大量碎片和顆粒出現(xiàn)在空間站右舷SARJ 處， 相對(duì)左舷導(dǎo)致了額外的振動(dòng)和動(dòng)力消耗。 此次故障導(dǎo)致的相應(yīng)潤滑系統(tǒng)的清理和復(fù)位工作， 需要宇航員進(jìn)行3 次以上的太空行走才能完成。 該事件引起了人們對(duì)航天器污染敏感表面的大面積開放表面潤滑問題的關(guān)切， 解決該問題除了使用新型潤滑劑外， 還應(yīng)從系統(tǒng)層面對(duì)摩擦行為和潤滑狀態(tài)（臨界潤滑、 乏油潤滑等） 進(jìn)行更加充 分 的 了 解[25］。 HUANG 和WANG[35］對(duì) 基 于Neuringer-Rosensweig、 Shliomis 和Jenkins 三種流動(dòng)模型的磁性液體潤滑理論進(jìn)行了分析討論， 提出磁性液體潤滑軸承是空間微重力環(huán)境下的最佳選擇； 另外磁性陣列表面結(jié)構(gòu)及離子液體基磁性液體憑借其突出性能， 也展示出良好的應(yīng)用前景。 HU 等[36］介紹了一種由磁性液體密封環(huán)封閉的氣墊和磁性液體環(huán)聯(lián)合承壓機(jī)制， 所提供的液-氣支撐可有效降低摩擦、 改善“冷焊” 和“黏滑” 現(xiàn)象， 對(duì)發(fā)展精密滑動(dòng)機(jī)械有重要意義。 URRETA 等[37］探討了使用鐵磁流體實(shí)現(xiàn)高精度主軸密封的可行性， 并對(duì)所提模型的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

以上研究為發(fā)展空間環(huán)境下的磁性液體潤滑密封提供了參考借鑒。 磁性液體作為空間裝備潤滑劑的一大亮點(diǎn)是其卓越的自修復(fù)性。 LEUNG 等[30］對(duì)不同基液、 不同磁性顆粒濃度的磁性液體在邊界潤滑狀態(tài)下的流變特性和摩擦學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的試驗(yàn)分析， 發(fā)現(xiàn)了磁性液體的自修復(fù)機(jī)制， 證明了磁性顆?？梢酝ㄟ^填充潤滑表面磨損處減小有效表面粗糙度， 實(shí)現(xiàn)潤滑自修復(fù)目的。 LAMPAERT[18］在總結(jié)磁性液體潤滑／密封進(jìn)展時(shí)也提到了相似的現(xiàn)象， 表達(dá)了這一奇妙的材料特性對(duì)解決系統(tǒng)壽命限制的良好預(yù)期。

在航天設(shè)備的密封問題上， 公開資料中所提及的航天器常用密封手段有O 形環(huán)密封、 金屬密封、 發(fā)泡樹脂、 煙火成型、 焊接密封和磁性密封等[32］。 其中磁性液體旋轉(zhuǎn)密封的磁控特性使其能夠擺脫宇宙失重影響， 長(zhǎng)期保持高精度、 易調(diào)控的工作狀態(tài)， 相較傳統(tǒng)密封手段具有低摩擦磨損、 零泄漏、 無污染、 自修復(fù)和長(zhǎng)壽命等巨大優(yōu)勢(shì)。 磁性液體潤滑／密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 組裝、 脫離靈活性強(qiáng)， 可有效解決空間潤滑／密封結(jié)構(gòu)工作壽命長(zhǎng)、 日常維護(hù)難的問題， 尤其是在小尺度密封問題上具有天然優(yōu)勢(shì)。 李德才和錢樂平[38］開發(fā)的高速磁性液體旋轉(zhuǎn)密封可在30 m／s 的線速度下保持良好的密封能力， 大幅提高了磁性液體旋轉(zhuǎn)密封線速度， 成功解決了20 kW 航天電機(jī)的高速密封問題； 其團(tuán)隊(duì)針對(duì)極端環(huán)境下的維修維護(hù)難題所開發(fā)的分瓣式磁性液體旋轉(zhuǎn)密封， 使大型裝備的密封拆裝時(shí)間縮短為原來的1／5， 成功解決了軍用雷達(dá)、 反應(yīng)釜等關(guān)鍵裝備的密封難題， 在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

目前磁性液體在空間裝備潤滑／密封領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展， 但磁性液體獨(dú)有的卓越機(jī)械性能還未得到充分發(fā)揮， 依然存在較大的提升空間。 下文將就空間環(huán)境影響中較為嚴(yán)峻的高真空、 高輻射和高低溫?zé)嵫h(huán)三類變量分別介紹特殊環(huán)境下的磁性液體密封／潤滑研究進(jìn)展， 討論磁性液體用于空間潤滑／密封問題的可行性。

2 高真空和超高真空

高真空是空間潤滑／密封技術(shù)面臨的第一道挑戰(zhàn)。地球海平面的真空度為1.013 kPa）， 隨軌道高度逐漸增大， 真空度急劇減小， 很快進(jìn)入高真空狀態(tài)（0.133～1×10-6Pa）； 近地軌道（200～700 km） 真空度范圍為10-4～10-10Pa[39］， 屬于超高真空狀態(tài)（10-6～10-10Pa）； 而同步軌道（高度約3 580 km） 的真空度可達(dá)10-13Pa[33］， 進(jìn)入極高真空狀態(tài)。 高真空環(huán)境下， 材料蒸發(fā)性大大增強(qiáng)， 屆時(shí)將面臨大量潛在的不良影響， 如材料中的揮發(fā)性成分蒸發(fā)， 通過航天器周圍的真空遷移容易導(dǎo)致太陽能電池板、 傳感器、 光學(xué)組件等污染敏感系統(tǒng)的功能不良[1］； 蒸發(fā)致使傳統(tǒng)潤滑劑薄膜和可充當(dāng)潤滑劑的吸附氣體層消失， 大幅增加軸承和滑動(dòng)表面的摩擦[39］。 因而對(duì)于真空環(huán)境的潤滑問題需要采取特殊的設(shè)計(jì)方案。

在空間站、 地外基地等太空宜居設(shè)施建設(shè)問題中， 一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是在工作環(huán)境和空間真空環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)零泄漏或至少限制泄漏， 避免溫度損失、 輻射及微生物污染； 同時(shí)還需要使結(jié)構(gòu)具有一定的靈活性， 以便于進(jìn)行必要的其他任務(wù)模塊的對(duì)接和脫離， 如空間站部分艙段的組裝和在太空發(fā)射用于星際航行的飛行器等任務(wù)。 理想的真空密封材料需要滿足低黏性、 高表面張力（≥0.5 N／m）、 低蒸汽壓（25 ℃下＜10-10N／m2）、 低熔點(diǎn)（-50 ℃） 以及適合軸和殼體金屬的“潤濕” 特性。 另外真空環(huán)境下的密封材料還應(yīng)盡可能久地保持密封面兩側(cè)的高壓差， 實(shí)現(xiàn)裝備的長(zhǎng)壽命和長(zhǎng)期可靠性[28］。

高真空條件要求潤滑／密封材料具備盡可能低的飽和蒸汽壓， 可以通過改變磁性液體配方尋找符合要求的磁性液體。 LI 和RAJ[40］報(bào)道了烴基和氟碳基磁性液體在4 種不同真空度下的測(cè)試結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)真空蒸發(fā)速率明顯高于大氣條件下的蒸發(fā)速率， 并通過修正Langmuir 方程對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋。 五環(huán)聚苯醚、 甲苯硅油和二酯類物質(zhì)[13］均具有相對(duì)較低的飽和蒸汽壓， 可用作真空環(huán)境下的磁性液體基液。BLACK 等[41］對(duì)一種全氟聚醚（PFPE- Perfluoropolyether） 基磁性液體進(jìn)了表征， 研究表明， 該種磁性液體在真空環(huán)境下放置1 h 后蒸汽壓約為4×10-8Pa，5 h 后達(dá)到4×10-9Pa， 450 h 后達(dá)到4×10-10Pa， 在高溫和磁場(chǎng)的聯(lián)合作用下所使用的磁性液體具有低揮發(fā)性、 長(zhǎng)壽命和穩(wěn)定性， 十分適合用于超高真空密封。離子液體基的磁性液體是航天用液體潤滑劑的另一有力備選材料之一。 離子液體是完全由離子組成的物質(zhì)， 相較于傳統(tǒng)載液， 其蒸汽壓和可燃性均可忽略不計(jì)， 具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性， 且其性質(zhì)（黏度、 溶解度、熔點(diǎn)等） 可以通過多種類的離子組成方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。 部分離子液體還展現(xiàn)出特殊的對(duì)永磁鐵的磁響應(yīng)特性， 如圖3 所示[42-43］。 因此離子液體極為適合在極端物理化學(xué)條件下的設(shè)備中發(fā)揮作用， 特別是作為載體在制備太空裝備用磁性液體方面具有良好的發(fā)展?jié)摿42-44］。 GUERRERO-SANCHEZ 等[44］和OLIVEIRA等[45］研究了一系列離子液體增強(qiáng)磁性液體的穩(wěn)定性，結(jié)果表明， 將離子液體作為載液可在不使用分散穩(wěn)定劑的情況下實(shí)現(xiàn)磁性納米顆粒的有效分散， 從而有望制備出具有高穩(wěn)定性的磁性液體。 其中OLIVEIRA等[45］還證明了所研究的離子基磁性液體對(duì)于高真空環(huán)境和低溫環(huán)境（如-80 ℃） 的適用性， 進(jìn)一步驗(yàn)證了離子液體基的磁性液體作為新型空間極端工況潤滑劑的可行性。

圖3 [HexMeIm］3 [Dy （SCN）6 （H2O）2］ 對(duì)釹磁鐵的響應(yīng)[42-43］Fig.3 Response of [HexMelm］3 [Dy （SCN）6 （H2O）2］ to a neodymium magnet[42-43］

氟碳基及離子液體基磁性液體是高真空環(huán)境中最具應(yīng)用潛力的磁性液體。 采用該離子液體基磁性液體， 單平和湯林軍[46］發(fā)明了一種實(shí)心軸雙法蘭重載磁流體密封結(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)10-6Pa 的真空承載力， He泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 最大承載力可達(dá)24.5 N／cm， 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3； 該團(tuán)隊(duì)發(fā)明的另一種基于高飽和磁化強(qiáng)度（0.74 T） 磁性液體的耐高壓磁性液體旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)， 單個(gè)極齒耐壓能力可達(dá)到0.112 MPa， 真空壓力可達(dá)10-6Pa， 泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 適用溫度為0 ～200 ℃， 一次注入磁性液體密封壽命達(dá)10 年以上[38］， 為進(jìn)一步研發(fā)適用于太空高真空極端環(huán)境的磁性液體潤滑／密封結(jié)構(gòu)提供了極具價(jià)格的參考。 此外， 陳燕[47］以耐壓值≥0.1 MPa， 壽命≥25 年為設(shè)計(jì)要求， 為空間站蒸汽壓縮蒸餾裝置設(shè)計(jì)了磁性液體密封方案， 并通過有限元分析和耐壓計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

表3 一種實(shí)心軸雙法蘭重載磁流體密封技術(shù)指標(biāo)[46］Table 3 The technical indicators of solid shaft double flanges overloaded magnetic fluid seal[46］

3 高輻射

復(fù)雜的輻射效應(yīng)是空間任務(wù)需要解決的另一大難題。 空間輻射的來源有宇宙射線、 范-艾倫帶、 太陽耀斑、 極光和人造結(jié)構(gòu)等， 圖4 中示意性地表示了地球周圍空間的輻射來源以及地球周圍的范-艾倫輻射帶； 表4 中對(duì)部分輻射源進(jìn)行了量化描述。 可以看出， 太空輻射來源復(fù)雜， 輻射強(qiáng)度大且分布不均，范-艾倫輻射帶的存在更是很大程度上限制了空間飛行器繞地飛行的活動(dòng)范圍。 外太空的高輻射環(huán)境不僅會(huì)對(duì)空間系統(tǒng)內(nèi)的生物體產(chǎn)生致命威脅， 同時(shí)也會(huì)損傷飛行器， 導(dǎo)致設(shè)備故障等一系列不良影響。 因此有必要設(shè)定空間裝備的輻射許用標(biāo)準(zhǔn)并制定對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施。 表5 中給出了部分材料的輻射破壞閾值[32］?？梢钥闯鎏沾珊徒饘兕惒牧系哪洼椛鋸?qiáng)度較高（109J／kg）， 有機(jī)物次之（104～106J／kg）， 晶體管對(duì)輻射最為敏感。

表5 部分材料的臨界輻射劑量[32］Table 5 Critical radiation dose of some materials[32］

圖4 地球周圍的空間輻射源Fig.4 Space radiation source： （a） types of pace radiation； （b） Van-Allen radiation belt

表4 空間環(huán)境中的輻射因素Table 4 Radiations in space environment

空間飛行器在軌工作時(shí)間長(zhǎng)， 經(jīng)年累積的輻射量足以對(duì)裝備結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。 空間高輻射條件下，潤滑介質(zhì)穩(wěn)定性難以長(zhǎng)期保持； 同時(shí)受高溫和高輻射影響， 還容易出現(xiàn)因蒸發(fā)或潛變而導(dǎo)致的衰??； 另外潤滑部件通常會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的邊界潤滑狀態(tài)， 也是潤滑設(shè)計(jì)中一個(gè)不可忽視的問題。 故急需開發(fā)有效的新型潤滑劑作為抗磨劑來延長(zhǎng)這些部件的壽命。 目前空間中常用的液體潤滑劑有全氟聚醚、 多烷基化環(huán)戊烷（MAC - Polyalkylated Cyclopentane） 和 聚 α 烯 烴（PAO-Polyalphaolefin） 等， 常用的固體潤滑劑包括二硫化鉬、 二硫化鎢、 二硒化鈮、 石墨、 銀、 聚四氟乙烯和尼龍等[25］。 考慮輻射效應(yīng)對(duì)航天器材料的影響時(shí)， 就最廣泛使用的金屬、 金屬化合物以及多聚物而言， 有兩個(gè)問題需要特別關(guān)注。 一是常規(guī)多聚物和有機(jī)物材料對(duì)空間輻射直接接觸敏感， 容易導(dǎo)致材料因變性而失效， 無法滿足空間任務(wù)長(zhǎng)壽命、 少維護(hù)的設(shè)計(jì)原則。 有機(jī)硅、 苯乙烯-丁二烯、 異戊二烯和天然橡膠等雖然表現(xiàn)出良好的真空性能， 但無法良好地應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈、 復(fù)雜的宇宙輻射， 不是最佳的材料選擇。另一方面， 空間輻射和真空雖然無法對(duì)金屬、 合金及其氧化物造成明顯影響， 但可能會(huì)出現(xiàn)材料剝落形式的破壞， 這使得金屬密封、 焊接密封的可靠性受到了質(zhì)疑。 相較之下， 磁性液體潤滑／密封是解決這一問題的良好方案。 區(qū)別于其他潤滑劑和密封介質(zhì)， 磁性液體主要由磁性納米粒子、 表面活性劑和基載液組成， 磁性納米粒子被合適的表面活性劑包覆后， 可分散在基載液中形成極為穩(wěn)定的膠體體系， 可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 雖然磁性液體也存在一定程度的因輻射導(dǎo)致的潛變問題， 但可以通過調(diào)控化學(xué)組成（載液和添加劑等）、 制備參數(shù)及其他相關(guān)條件進(jìn)行改善。 表6 給出了部分材料的輻射降解閾值[28］， 可以看出磁流體密封的耐輻射值要遠(yuǎn)高于常用的O 形圈密封和V形環(huán)密封， 而與迷宮密封的耐輻射強(qiáng)度相當(dāng)， 耐輻射性能優(yōu)異。 如李德才團(tuán)隊(duì)[38］開發(fā)的基于全氟聚醚酸表面活性劑的全氟聚醚油基磁性液體， 表現(xiàn)出優(yōu)良的密封性能， 實(shí)際測(cè)得該磁性液體旋轉(zhuǎn)密封在放射性活度為3.75×1011Bq 的強(qiáng)輻射環(huán)境下的泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn)， 具有高度穩(wěn)定性。

表6 部分密封結(jié)構(gòu)指標(biāo)[28］Table 6 Properties of some seal schemes[28］

4 高低溫／熱循環(huán)

發(fā)展空間磁性液體潤滑／密封還需要考慮宇宙空間的極端溫度。 外太空飛行器設(shè)計(jì)服役期長(zhǎng)， 任務(wù)活動(dòng)范圍廣， 航天器在軌運(yùn)行時(shí)反復(fù)穿越光照和陰影區(qū)域， 會(huì)經(jīng)歷頻繁而強(qiáng)烈的熱循環(huán)。 有數(shù)據(jù)顯示， 在地球同步軌道上的一項(xiàng)為期30 年的飛行任務(wù)中， 航天器直接暴露于太陽光和黑暗中的表面經(jīng)歷了超過104次的溫度循環(huán)[1］。 高低溫?zé)嵫h(huán)會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)剝落、 龜裂、 分層和其他機(jī)械問題， 尤其是在熱膨脹系數(shù)不一致的組件中[25］。 另外熱循環(huán)問題還與航天器姿態(tài)、 組件熱光學(xué)特性、 工作散熱情況息息相關(guān)。 具體而言， 航天器熱循環(huán)主要受到五類因素影響， 即：（1） 貫穿整個(gè)任務(wù)期的光照強(qiáng)度； （2） 航天器部件相對(duì)航天器的位置 （是否進(jìn)行主動(dòng)溫控或依賴太陽）； （3） 是否進(jìn)行加熱及加熱方式； （4） 是否在輔助推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)附近； （5） 航天器本身影響熱傳導(dǎo)和熱輻射的外形因素[28］， 太陽光吸收率及紅外發(fā)射率等[25］。 由于進(jìn)行主動(dòng)溫度控制會(huì)增加能量載荷（需增加電池容量、 太陽能帆板尺寸或更大的放射性同位素?zé)岚l(fā)生器等）， 從而增加航天器質(zhì)量， 降低系統(tǒng)可靠性[28］。 鑒于此， 尋找高耐溫疲勞性的材料， 設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的熱控系統(tǒng)及熱管理策略就顯得尤為重要。

1972 年， HOFZ[28］介紹了用于方向和定位控制的外部空間旋轉(zhuǎn)式制動(dòng)器軸密封技術(shù)， 設(shè)計(jì)要求致動(dòng)器必須具備在149 ℃以上的溫度域內(nèi)正常工作和非任務(wù)期短途漂浮的能力， 其中軸密封和潤滑問題正是制約致動(dòng)器工作和生存溫度范圍的主要因素之一。 傳統(tǒng)O形圈密封性能優(yōu)良， 然而對(duì)輻射、 寬溫域熱循環(huán)耐受性較差， 故需要尋找更加可靠的潤滑／密封技術(shù)。HOFZ[28］考察了3 種類型的致動(dòng)器及備選密封方式，見表7， 最終確定各制動(dòng)器的潤滑／密封方案。 一般而言， 非接觸式密封摩擦磨損程度較低， 因而具有相對(duì)更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。 磁性液體密封作為一種非接觸式密封， 可以達(dá)到氣密封的泄漏要求， 在低溫下發(fā)生凍結(jié)時(shí)依然能保持其密封完整性， 同時(shí)解凍后不影響正常工作性能， 因此磁性液體經(jīng)常用于真空室間的連接密封。

表7 軸密封初步候選方案[28］Table 7 Preliminary candidate shaft seals[28］

雖然磁性液體密封需要進(jìn)一步測(cè)試和評(píng)估其在高低溫循環(huán)下的運(yùn)行可靠性和壽命， 但依然可作為高扭矩旋轉(zhuǎn)軸致動(dòng)器的候選密封方式[28］。 在寬溫域適用的磁性液體開發(fā)方面， 全氟醚基磁性液體[48-50］是一種當(dāng)前較為理想的方案， 該磁性液體可在-70 ～200℃溫度區(qū)間內(nèi)正常工作。 除此之外， 研究人員開發(fā)的寬溫域磁性液體還包括-10～90 ℃溫度范圍的高承載力磁性液體[46］、 0～200 ℃溫度范圍的耐高壓磁性液體[38］等。

除溫度變化外， 寬溫域高低溫循環(huán)所產(chǎn)生的影響還包括潤滑劑啟動(dòng)力矩的變化。 早期研究曾認(rèn)為， 制約磁性液體應(yīng)用于空間設(shè)備密封結(jié)構(gòu)的因素在于磁性液體密封受溫度的影響較大， 在溫度較高 （＞149℃） 時(shí)， 磁性液體揮發(fā)率大幅升高； 而溫度較低時(shí)，磁性液體則表現(xiàn)出黏性阻力， 導(dǎo)致啟動(dòng)力矩比工作力矩增大數(shù)倍以上。 陳燕[47］從理論和實(shí)驗(yàn)角度探討了溫度對(duì)磁性液體潤滑啟動(dòng)力矩的影響， 發(fā)現(xiàn)在25 ℃以上， 磁性液體潤滑的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化不明顯； 但隨溫度緩慢降低， 啟動(dòng)力矩不斷增大。 程艷紅等[51］從顆粒團(tuán)聚和剪切稀化等微觀影響機(jī)制等方面進(jìn)行了分析， 表明磁黏效應(yīng)是啟動(dòng)力矩改變的本質(zhì)原因。 而除了開發(fā)具有低啟動(dòng)力矩的磁性液體， 也可考慮通過在設(shè)備停車期間間歇性激活密封， 以電磁鐵代替永磁體在靜置期設(shè)置感應(yīng)交變磁場(chǎng)等方式[52］， 達(dá)到降低設(shè)備啟動(dòng)力矩的目的。

5 結(jié)論

磁性液體在早期的航天任務(wù)中發(fā)揮了重要作用，隨著相關(guān)研究工作的不斷深入新和完善， 磁性液體用于極端工況特別是航天器潤滑／密封的可行性不斷增強(qiáng)。 目前， 國內(nèi)外對(duì)常規(guī)工況下磁性液體潤滑／密封問題的研究已取得豐碩成果， 但極端環(huán)境下尤其是航天用磁性液體潤滑／密封理論研究仍極為缺乏。 然而在高性能磁性液體開發(fā)方面， 已研發(fā)出一些性能優(yōu)良的磁性液體， 可作為航天用潤滑／密封介質(zhì)的備選方案， 如離子液體基磁流體、 全氟聚醚油基磁性液體等。

未來， 針對(duì)空間環(huán)境下的磁性液體潤滑／密封問題， 值得重點(diǎn)關(guān)注的研究方向有以下幾點(diǎn)：

（1） 需要制定規(guī)范通用的地外空間環(huán)境量化標(biāo)準(zhǔn)， 以便于為空間潤滑／密封設(shè)計(jì)建立可靠的環(huán)境影響分析模型。

（2） 開發(fā)適用于真空失重、 高輻射、 高低溫等極端環(huán)境的潤滑／密封用磁性液體， 研究其制備工藝及對(duì)應(yīng)的性能調(diào)控方法。

（3） 開展極端工況下磁性液體的潤滑／密封理論研究， 加強(qiáng)配套的多物理場(chǎng)磁性液體仿真和軟件開發(fā)。

整體來看， 磁性液體應(yīng)用于空間環(huán)境下航天器潤滑／密封前景廣闊， 可以預(yù)見一旦通過充分的可靠性測(cè)試， 磁性液體大規(guī)模應(yīng)用于航天工業(yè)， 將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。