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太空里没有水,航天器也会“生锈”?

太空里没有水,航天器也会“生锈”?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董凯辉、宋影伟,封面:东方IC


说到腐蚀,大家可能并不陌生,它每时每刻都在发生。例如:厨房铁锅会生锈,碳酸饮料会腐蚀牙齿,街道上的护栏风化开裂等等。


铁质水管的腐蚀(图片来源:veer图库)


有人可能会问,太空是高真空环境、没有水的存在,航天器应该不会像地球上那样被腐蚀吧?但令人意想不到的是,与“温顺”的地球环境相比,真实的太空对航天器的“外衣”威胁更大。


比如,“和平号”空间站作为美俄国际空间站合作计划的一部分,是前苏联建造的第一个轨道空间站(苏联解体后归俄罗斯)。据统计,它实际在轨工作的十多年时间里,共发生近2000处故障,其中70%的外体遭到腐蚀。


前苏联研制的和平号空间站(图片来源自新华网)


那么,究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蚀呢?航天器又有什么“防腐”诀窍呢?


什么是腐蚀?


腐蚀是指材料与环境间的物理和化学相互作用,使材料性能发生变化,导致材料、环境及其构成系统受到损伤。


狭义上讲,腐蚀指金属材料在特定环境条件下的失效形态,例如铁在大气中的生锈等。但从广义上来说,塑料、陶瓷、混凝土和木材等非金属材料由化学作用使其消耗或破坏也属于材料腐蚀的范畴,例如,涂料和橡胶由于阳光或者化学物质的作用引起变质,老化等。


依据反应历程,腐蚀可分为电化学腐蚀和化学腐蚀两类。通常,在环境中有水参与的条件下,腐蚀服从电化学动力学基本规律,属于电化学腐蚀范畴。由于地球大气中普遍含有水,化工生产中也经常处理各种水溶液,因此,电化学腐蚀是地球上最常见的腐蚀类型;当材料处于无水条件下,环境中的气体分子或原子会优先在材料表面吸附,并通过化学反应造成材料的腐蚀,称为化学腐蚀。


航天器处于真空、无水的太空环境中,主要以化学腐蚀为主。


太空腐蚀三大杀手


太空中造成航天器腐蚀的原因主要有三个:辐射、氧、温度。


1. 辐射


太空到处都存在着人类肉眼所看不见的宇宙辐射。它既包括宇宙大爆炸后所残留的热辐射,同时也包括其他天体向外释放的电磁波、高能粒子甚至是宇宙射线。


由于地球磁场与大气层对宇宙辐射的偏折和吸收作用,才能保证人类在地球上的正常生活。可是,一旦脱离两者的保护,完全暴露在这种强辐射环境中,即便是穿着厚重的宇航服,也不能完全避免宇宙辐射对人体的伤害。面对太空中如此高强度的辐射,航天器也会“深受其害”。


宇宙辐射示意图(图片来源:百度百科)


太阳所释放的紫外线辐射是引起航天器腐蚀失效的原因之一。尽管紫外线只占太阳光的5%左右,但是能量却很大。太空中,由于缺少地球磁场及大气层的“保护屏障”,航天器表面的高分子材料在吸收紫外线后会引发聚合物的自我氧化、降解。


另外,波长为300nm的紫外线中的单个光子所具有的能量约为399kJ·mol,这一能量大于聚合物中重要的化学键的键能:C-C(347 kJ·mol)、C-N(305 kJ·mol)、C-S(259 kJ·mol),因此,紫外光的能量足以使这些化学键断裂,从而导致聚合物材料性能的急剧下降。因此,为了尽可能的削弱太阳辐射对航天器的影响,人类航天任务的发射甚至会刻意避开太阳耀斑活动频繁的时间周期。


2. 氧


航天器刚刚脱离地球表面大气层的保护时,首先接触的便是低地球轨道环境(距离地球200km-700km),该区域所处的残余大气中,氧含量约占总组分的80%。


残余大气中的原子氧(图片来源:搜狐网)


众所周知,氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。而在太阳短波辐射的光致分解作用下,氧分子转变为高活性的原子氧,由于处于高真空及极低的气体总压状态下,氧原子与其他粒子发生碰撞的几率很小,导致氧原子很难再次复合成分子态。


当高速运行的航天器与原子氧发生剧烈的摩擦、碰撞时,航天器表面的聚合物材料会发生高温氧化反应,使其电学、光学以及机械性能等方面发生退化,甚至会引起明显的剥蚀效应,严重影响航天器的运行安全。


3. 温度


在航天器的太空旅行中,除了要面临宇宙辐射及原子氧的威胁外,还需要接受极为“苛刻”的温度挑战。


自宇宙大爆炸起,太空中的温度便开始逐渐降低,在经历了150多亿年的演变后,目前的太空正处于极寒的环境中,平均温度只有约-270.3℃。


但是,真空环境中,由于缺少空气的传热和散热,航天器表面受阳光直接照射的一面,其温度将高达100℃以上,而阳光照射不到的一面,温度则可低至-200℃。


这种极端的温度条件和大幅度的冷热交变会影响材料的应力,并可能造成航天器“外衣”的断裂、分层甚至脆化,极大的缩短其安全服役寿命。


此外,宇宙中各星体都有其各自的演变历程,导致不同星球上的环境也是千差万别。航天器在其他星球上执行探测任务时,也需要考虑不同星球的真实环境,很可能会有腐蚀性离子的存在。以金星为例,作为距离我们地球最近的一颗行星,它的大小、体积、重量与地球非常接近,被称为地球的“姐妹星”。可是,金星厚厚的大气层中含有强腐蚀性的硫化物,其与氧原子和水蒸气发生反应会形成硫酸,连年的酸雨会加快航天器的腐蚀。


防腐秘笈:材料+涂层


在如此复杂的太空环境中,航天器的腐蚀根本无法避免。有关数据显示,一架航天飞机的维修成本甚至远高于其制作成本和发射成本,其中,由于腐蚀所造成的维修成本占很大的比重。因此,采用科学的手段抑制航天器在太空中的腐蚀问题势在必行。


首先便是选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀、比重低的高性能材料。在世界各国的科学家的不懈的努力探索下,多种高性能材料不断涌现。


例如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等的应用,可以大幅提高航天材料的耐高温、耐摩擦、耐腐蚀性能;采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以有效解决防热问题;铝、镁等轻合金具有密度低、比强度高等特点,可以减轻航天器的结构重量,降低发射成本。


此外,结合不同材料的用途及其实际服役环境,采用合适的表面处理技术也十分重要。因为性能优异的防护涂层不仅可以延长航天器的使用寿命,节省维修成本,同时也可以提高航天材料的功能性,其中包括隔热性、导电性、电磁屏蔽性等。


与地面装备表面防护不同的是,由于有机涂层在真空环境中会出现放气、老化脱落等一系列问题,航天材料一般不会使用有机涂层进行防腐,而主要采用的表面技术包括化学/电化学沉积、化学/电化学氧化、无机涂层以及特种薄膜制备等等。


例如,航天器中的铝合金在使用阳极氧化表面处理后可以使其表面硬度、耐磨性与耐腐蚀性能增强,同时,该阳极氧化膜层表面存在大量的微孔,可用于吸附各种润滑剂,适合制造航天器动力系统气缸或其他耐磨零件。


“嫦娥”奔月时,穿了什么外衣?


登录月球的嫦娥四号探测器(图片来源:新华网)


镁合金,作为地球上最轻的金属结构材料,拥有比强度高、导电性强、电磁屏蔽性好等优点,在航天领域的使用上具有先天的优势。为了实现减重,我们熟知的神州、天宫、嫦娥等系列航天器中,均大量使用镁合金。


以2018年12月发射的“嫦娥四号”探测器为例,其中,探月雷达、月球车巡视器、着陆器上许多重要电子设备的箱体结构所采用的就是镁合金,主要利用其减重、导电及优异的电磁屏蔽性能,可以有效的削弱外界电磁场对核心电路系统的干扰。但镁合金化学性质活泼,耐蚀性差,甚至在地面存放期间便会出现严重的腐蚀。因此,必须采用合理的表面处理方式,在满足其导电性及电磁屏蔽性能的基础上,有效提高其耐腐蚀能力。


中国科学院金属研究所在这方面做了很多工作,科研团队自主研发的镁合金镀层具有防腐、导电、电磁屏蔽等多功能性,满足了航天器若干的使用要求,并在天宫、嫦娥等多个型号的航天器上使用。下图是嫦娥四号上使用的表面处理后的镁质航天器部件。


嫦娥四号用镁质航天器部件导电涂层展示(图片来源:作者提供)


结语


腐蚀是全人类共同面对的问题,腐蚀带来的负面影响不可小觑。目前,腐蚀代价甚至大于所有自然灾害损失的总和。


腐蚀对现代工业造成的严重破坏,其直接损失及停工、停产等间接损失都是难于估计的,甚至会危及人类的生命及财产安全,因而采取有效的防护措施势在必行。


在不同环境中,即便同样的材料,腐蚀情况也会千差万别。因此,研究太空环境中的腐蚀问题,有助于人类研究在复杂环境中的腐蚀机理,采取针对性的防护措施,有利于减少因腐蚀造成的经济损失,这对国家的经济建设有着十分重大的现实意义。


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董凯辉、宋影伟

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
本文由 科学大院© 授权 虎嗅网 发表,并经虎嗅网编辑。转载此文章须经作者同意,并请附上出处(虎嗅网)及本页链接。原文链接:https://www.huxiu.com/article/295968.html
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