李存惠，史 亮，張劍鋒，楊生勝

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

隨著空間科學(xué)研究的深入和載人航天、深空探測(cè)的需要，空間環(huán)境的檢測(cè)和材料的暴露試驗(yàn)引起了人們更多的關(guān)注和重視。通過發(fā)展航天器材料在軌暴露試驗(yàn)與性能監(jiān)測(cè)技術(shù)，可獲得航天器用典型材料性能的在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)現(xiàn)行的材料地面模擬試驗(yàn)方法、試驗(yàn)評(píng)估數(shù)據(jù)、性能退化的分析模型等進(jìn)行實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上可對(duì)材料空間環(huán)境效應(yīng)的模擬試驗(yàn)方法及其性能退化分析模型等進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善，進(jìn)而推動(dòng)材料空間環(huán)境防護(hù)技術(shù)和壽命預(yù)示技術(shù)的發(fā)展。本文將對(duì)暴露試驗(yàn)的特點(diǎn)、研究?jī)?nèi)容、國外幾種典型的暴露試驗(yàn)情況以及最近幾年國際空間站的試驗(yàn)作扼要的介紹，為我國開展此類試驗(yàn)提供參考。

2 暴露試驗(yàn)的涵義和特點(diǎn)

暴露試驗(yàn)是指把試驗(yàn)裝置或被試樣品(材料、元器件或設(shè)備)放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環(huán)境之中所進(jìn)行的各種試驗(yàn)。與普通的科學(xué)實(shí)驗(yàn)性比，具有如下特點(diǎn):1)試驗(yàn)樣品直接處于真實(shí)的空間環(huán)境中(很少或沒有任何屏蔽)，這個(gè)真實(shí)的空間環(huán)境包括了微重力、高真空、熱循環(huán)、等離子體環(huán)境、輻射環(huán)境、微流星體/軌道碎片、原子氧等;2)所有的暴露試驗(yàn)至少進(jìn)行上述環(huán)境因素中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的影響試驗(yàn)，這彌補(bǔ)了地面模擬試驗(yàn)的不足;3)試驗(yàn)樣品大多需要回收，以便研究空間環(huán)境因素帶來的影響。所以，試驗(yàn)通常在載人航天器或可回收的航天器中進(jìn)行;4)航天器必須為試驗(yàn)提供一個(gè)安裝暴露試驗(yàn)裝置的平臺(tái)，它可以是桁架、航天器的外表面或裸露艙段等［1］。

由于空間環(huán)境惡劣，且航天器的資源有限，早期的暴露試驗(yàn)多數(shù)是無源的;隨著航天技術(shù)水平的提高、資源的增加和科學(xué)研究的需要，有源的暴露試驗(yàn)越來越多。如果暴露試驗(yàn)被設(shè)計(jì)為長(zhǎng)期的系列試驗(yàn)，試驗(yàn)的次序一般是由簡(jiǎn)到繁、由主動(dòng)到被動(dòng)、由無源到有源。

暴露試驗(yàn)的時(shí)間有長(zhǎng)有短，主要取決于它搭載于那種類型的航天器。返回式衛(wèi)星及航天飛機(jī)一般為1～2周;“和平”號(hào)空間站的實(shí)驗(yàn)為3個(gè)月;尤里卡(EURECA)是9個(gè)月;長(zhǎng)期暴露裝置(LDEF)為1年;而國際空間上的材料暴露試驗(yàn)(MISSE1－7)為一個(gè)系列試驗(yàn)，每一期的暴露時(shí)間大約為1年。

3 暴露試驗(yàn)的主要研究?jī)?nèi)容

國外的空間暴露試驗(yàn)除MISSE外大多是在上世紀(jì)末進(jìn)行的，研究?jī)?nèi)容極其廣泛，側(cè)重點(diǎn)也有所不同，總結(jié)起來主要有以下幾個(gè)方面:1)由于暴露試驗(yàn)處于真實(shí)的空間環(huán)境中，它是航天用材料、部件、系統(tǒng)性能研究最真實(shí)、最可靠的模擬方法。暴露試驗(yàn)主要考慮樣品與環(huán)境因素的作用機(jī)理，獲得樣品在軌暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為航天器的設(shè)計(jì)、選材提供借鑒;2)空間暴露試驗(yàn)的開展，可積累環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證地面模擬試驗(yàn)的結(jié)果，從而不斷提高地面模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和完善各種相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，這對(duì)提高航天器的可靠性，降低航天器的成本很有益處;3)暴露試驗(yàn)代表材料學(xué)、生物學(xué)研究的一個(gè)新工具。新型的、潛在的航天用材料的空間適用性需要通過暴露試驗(yàn)得到驗(yàn)證;許多與空間有關(guān)的生物學(xué)問題(特別是輻射生物學(xué)、天體生物學(xué)和行星生物的遷移等)可通過暴露試驗(yàn)進(jìn)行直接研究。

4 國外幾種典型的暴露試驗(yàn)

從20世紀(jì)80年代開始，美國利用STS－5返回式衛(wèi)星進(jìn)行材料空間暴露試驗(yàn)后，各航天發(fā)達(dá)國家或獨(dú)自或合作開展了多項(xiàng)空間暴露試驗(yàn)。從第一代空間環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)LDEF開始到國際空間站(ISS)上搭載的平臺(tái)，總共發(fā)射了20多種暴露平臺(tái)，主要可以分為3個(gè)類型:1)材料空間暴露平臺(tái)，主要研究空間環(huán)境對(duì)材料的影響，通過暴露平臺(tái)研究空間環(huán)境對(duì)材料的累積和協(xié)和損傷效應(yīng)，其代表性裝置有LDEF和MISSE;2)在軌環(huán)境因素監(jiān)測(cè)平臺(tái)，主要實(shí)時(shí)探測(cè)各種空間環(huán)境因素，其代表性裝置有MEDET和JEM;3)在軌空間環(huán)境綜合測(cè)試平臺(tái)，可同時(shí)研究空間環(huán)境效應(yīng)及其與材料相互作用的機(jī)制，其代表性裝置有OPM。

4.1 美國的大型長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)裝置(LDEF)

20世紀(jì)80年代，NASA的長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)裝置(Long Duration Exposure Facility，LDEF)及其飛行是目前為止持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的暴露試驗(yàn)。經(jīng)過約10年的準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)、研制和各種試驗(yàn)，LDEF于1984年4月7日由挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)(STS－41C)送入高400 km、傾角為28.4°的近圓地球軌道，原計(jì)劃于1985年通過STS－51D飛行實(shí)施回收，后因故推遲。1986年“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)爆炸，致使回收再次推遲。直到1990年1月11日才由“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)回收，在軌停留了5.7年(69個(gè)月)，經(jīng)歷了半個(gè)太陽活動(dòng)周期(入軌時(shí)處于太陽活動(dòng)最小，回收時(shí)位于太陽活動(dòng)最大)，繞地球32 422圈。

LDEF的結(jié)構(gòu)呈棱柱形(見圖1和圖2)，它的橫切面是正十二邊形，整體寬4.27 m，長(zhǎng)9.14 m，暴露面積130 m2，起飛時(shí)質(zhì)量為9 724 kg。在其周向的12個(gè)平表面(72個(gè))和2個(gè)端面(14個(gè))分布著86個(gè)試驗(yàn)盒，共進(jìn)行57項(xiàng)試驗(yàn)。LDEF采用重力梯度維持在軌的三軸穩(wěn)定，在軌運(yùn)行期間不存在因發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的加速力和射流污染的影響［2］。

LDEF飛行任務(wù)的目的是提供關(guān)于空間環(huán)境及其對(duì)空間系統(tǒng)、元部件和材料效應(yīng)的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。試驗(yàn)內(nèi)容涵蓋:1)空間環(huán)境下材料性質(zhì)隨時(shí)間的變化試驗(yàn)，航天用的光學(xué)、熱、機(jī)械、電及其他材料的暴露樣品達(dá)10 000多種，包括金屬、聚合物、復(fù)合材料、陶瓷、玻璃、鍍銀teflon、熱控材料、粘結(jié)劑、密封和潤滑材料等;2)航天系統(tǒng)(機(jī)械、熱、電和光學(xué)系統(tǒng))的性能試驗(yàn)(20項(xiàng));3)航天器能源系統(tǒng)元器件的評(píng)價(jià)試驗(yàn);4)空間輻射及輻射劑量學(xué)試驗(yàn)(其中電離輻射試驗(yàn)13項(xiàng));5)空間生物學(xué)，輻射生物學(xué)試驗(yàn);6)空間物理及有關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究等。

圖1 長(zhǎng)期暴露裝置(LDEF)的示意圖

圖2 長(zhǎng)期暴露裝置(LDEF)的實(shí)物圖

4.2 國際空間站上的暴露試驗(yàn) (MISSE1－7)

國際空間站材料試驗(yàn)(Materials International Space Station Experiments，MISSE)是一個(gè)系列飛行試驗(yàn)，使用被動(dòng)暴露試驗(yàn)箱(PECs)將材料暴露于國際空間站(ISS)外的真實(shí)空間環(huán)境。PECs在航天飛機(jī)中時(shí)，樣品面板面對(duì)面閉合，通過航天員艙外活動(dòng)(EVA)打開并安裝在ISS外面(如圖3和圖4所示)。MISSE1－2于2001年安裝于國際空間站上，暴露將近4年后回收;MISSE3－4于2006年8月安裝在國際空間站的氣閘艙上，暴露1年后回收。MISSE1－4為被動(dòng)試驗(yàn)，主要考察材料的原子氧效應(yīng)、太陽輻射效應(yīng)以及原子氧和太陽輻射的協(xié)和效應(yīng)等。MISSE5于2005年8月被安裝在P6桁架段上，暴露1年后回收。MISSE5包含2個(gè)主動(dòng)試驗(yàn)和1個(gè)被動(dòng)試驗(yàn):先進(jìn)技術(shù)太陽能電池陣試驗(yàn)(FTSCE)是一個(gè)主動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試了36個(gè)現(xiàn)用和未來航天器用太陽能電池的性能;第二個(gè)主動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試通訊衛(wèi)星系統(tǒng)樣機(jī)的通訊系統(tǒng)，以及通訊中非定制遙控指令和控制的解決辦法;被動(dòng)試驗(yàn)是熱控層材料暴露試驗(yàn)，包括幾個(gè)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目用來測(cè)量200種材料在空間環(huán)境中的退化機(jī)理。MISSE6和MISSE7試驗(yàn)箱與先前的不同，大部分試驗(yàn)是主動(dòng)試驗(yàn)，MISSE6的主動(dòng)試驗(yàn)由空間站提供電源，數(shù)據(jù)貯存到數(shù)據(jù)記錄器中，試驗(yàn)回收時(shí)可用。MISSE 6中有6項(xiàng)主動(dòng)試驗(yàn)和6項(xiàng)被動(dòng)試驗(yàn)，共168個(gè)樣品集成到MISSE6的2個(gè)PEC(6A和6B)中，于2008年3月置于哥倫布試驗(yàn)艙外，于2009年9月回收。MISSE7將由ISS提供電源并與ISS具有通訊連接，主動(dòng)數(shù)據(jù)每天通過遙感技術(shù)回收。包括3個(gè)主動(dòng)和6個(gè)被動(dòng)試驗(yàn)，共120個(gè)樣品集成到PEC7。MISSE6、7試驗(yàn)包含了空間探測(cè)任務(wù)相關(guān)的材料比如:航天服織物、聚合物熱控防護(hù)層、太陽陣防護(hù)材料、“O”型密封材料、灰塵減緩材料等［3～5］。

圖3 宇航員打開ISS上被動(dòng)試驗(yàn)箱

圖4 MISSE－2“迎風(fēng)”面

NASA已在MISSE中對(duì)數(shù)以千計(jì)的樣品進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，其中包括化合物、傳感器、機(jī)械活動(dòng)件、聚合物、溫控材料、生物材料和元器件。目的是對(duì)航天用材料在LEO軌道的環(huán)境耐久性進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)潛在的新型航天材料作真實(shí)的空間暴露試驗(yàn)，從而驗(yàn)證這些材料的可用性。MISSE致力于原子氧效應(yīng)研究，包括聚合物侵蝕、原子氧散射、壓力對(duì)原子氧侵蝕的影響、原子氧通量原位檢測(cè)。該系列試驗(yàn)同時(shí)也對(duì)太陽輻射效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，包括輻射誘發(fā)聚合物收縮、壓力對(duì)輻射致聚合物降級(jí)的影響以及輻射對(duì)氧化銦錫(ITO)涂層和航天服織物的影響。還有一些附帶試驗(yàn)，包括對(duì)原子氧和太陽紫外輻射對(duì)熱控薄膜、涂層和金屬、陶瓷覆層的綜合影響進(jìn)行考察。獵戶座飛船密封材料和高壓太陽能電池陣材料也進(jìn)行了搭載和試驗(yàn)。同時(shí)NASA還在MISSE中設(shè)計(jì)了一些飛行試驗(yàn)來對(duì)地面空間環(huán)境效應(yīng)模擬設(shè)備進(jìn)行校正，提高地面模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

4.3 和平號(hào)軌道站的光學(xué)特性監(jiān)視儀(OPM)

NASA的馬歇爾空間飛行中心(MSFC)為了研究材料空間環(huán)境的長(zhǎng)期效應(yīng)(自然或誘發(fā)的)，在俄羅斯的和平號(hào)空間站上搭載了光學(xué)特性監(jiān)測(cè)儀器(OPM)，它同時(shí)也可監(jiān)測(cè)環(huán)境效應(yīng)誘發(fā)材料出氣引起的分子污染。OPM的光學(xué)特性監(jiān)測(cè)器把樣品分布在一個(gè)圓盤上做暴露試驗(yàn)，每個(gè)樣品被旋轉(zhuǎn)至若干個(gè)測(cè)量?jī)x器的檢測(cè)路徑上，以進(jìn)行光學(xué)特性的評(píng)價(jià)。原位測(cè)量子系統(tǒng)可以測(cè)量光、熱特性:光譜總半球反射比、總的積分散射率(TIS)、真空紫外線輻射(VUV)反射率/輻射能量透入率、總輻射率;環(huán)境監(jiān)測(cè)器可測(cè)量樣品所遭受空間環(huán)境的幾種成分(日/地光線、分子污染物、原子氧);材料光、熱性能的細(xì)微變化、表面退化效應(yīng)、污染效應(yīng)會(huì)在飛行后的分析中確定。OPM的主要部件有:1)反射計(jì)子系統(tǒng);2)總積分散射(TIS)子系統(tǒng);3)真空紫外分光光度計(jì)子系統(tǒng);4)輻射劑量率監(jiān)測(cè)子系統(tǒng);5)TQCM子系統(tǒng);6)原子氧監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。該試驗(yàn)裝置于1997年1月送上 MIR，1998年 1月回收，有效工作時(shí)間為8個(gè)月［6，7］。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的飛行任務(wù)，OPM的主要目的有:

(1)測(cè)定MIR艙空間環(huán)境對(duì)材料的影響及其損傷機(jī)理

Mir艙是當(dāng)時(shí)僅有的研究在延伸期中圍繞巨大空間平臺(tái)的環(huán)境和它對(duì)材料與系統(tǒng)影響的裝置。Mir艙的高傾斜軌道提供與長(zhǎng)期觀察任務(wù)(如長(zhǎng)期輻照設(shè)備)不同的混合環(huán)境要素。OPM任務(wù)為研究這種環(huán)境效應(yīng)提供了機(jī)會(huì)。暴露裝置將測(cè)定空間環(huán)境對(duì)光、熱控制，能源系統(tǒng)材料，操作系統(tǒng)的影響。測(cè)試材料的原位光學(xué)特性測(cè)量需要將測(cè)試材料重新調(diào)整到地面環(huán)境以測(cè)定空間環(huán)境的堆積效應(yīng)。

(2)提供飛船和光學(xué)材料的飛行試驗(yàn)

重要的材料被要求在圍繞巨大的空間平臺(tái)的環(huán)境下運(yùn)作。國際空間站(ISS)儀表裝置和其他未來任務(wù)的候選材料被暴露到Mir空間站環(huán)境下并通過飛行前(原位)、飛行后的性能測(cè)試，掌握輻照效果。

(3)為校驗(yàn)地面測(cè)試設(shè)備和預(yù)示模型提供數(shù)據(jù)

所有航天用的候選材料都不能在完成任務(wù)期間、在被使用的位置進(jìn)行飛行測(cè)試。地面基礎(chǔ)測(cè)試和壽命預(yù)言模型是保持空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)和任務(wù)計(jì)劃的基礎(chǔ)。這些測(cè)試和模型需要隨飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行標(biāo)定和更新。OPM將提供定期的材料光學(xué)性能方面飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并將作為地面測(cè)試期間的參考。

(4)發(fā)展并試驗(yàn)一種多功能的、可重復(fù)使用的飛行儀器，用來在線研究材料的空間環(huán)境性能其裝置示意圖如圖5所示;在Mir上的位置示意圖如圖6所示;裝置外觀圖如圖7所示。

圖5 OPM示意圖

圖6 OPM在和平號(hào)軌道站上的位置

圖7 OPM裝置外觀圖

5 結(jié)束語

材料在LEO環(huán)境作用下的性能變化是影響航天器功能和壽命的主要因素之一。航天器有效載荷(如太陽能電池板、光學(xué)儀器、熱控系統(tǒng)等)上使用的空間材料在空間環(huán)境作用下，其性能會(huì)產(chǎn)生衰減甚至失效，從而降低航天器的使用壽命和可靠性。材料暴露試驗(yàn)主要是研制一種適合空間搭載的在軌飛行試驗(yàn)裝置，根據(jù)不同的任務(wù)需求，可在軌實(shí)時(shí)測(cè)量材料太陽紫外輻照、原子氧(AO)、污染、空間輻射、空間碎片/宇宙塵埃等效應(yīng)。從國外暴露試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容來看，原子氧、紫外輻射、空間碎片為L(zhǎng)EO最關(guān)注的熱點(diǎn)問題，由于空間站上搭載了大量的光學(xué)設(shè)備，污染效應(yīng)也是一個(gè)關(guān)注的熱點(diǎn);單純地進(jìn)行材料在軌暴露試驗(yàn)已經(jīng)被在軌原位空間環(huán)境效應(yīng)探測(cè)所取代。我國在未來進(jìn)行在軌材料環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，可在材料暴露裝置上搭載一些技術(shù)較為成熟的監(jiān)測(cè)儀獲得在軌數(shù)據(jù)，如石英晶體微量天平(QCM)等［8］。

暴露試驗(yàn)是空間科學(xué)試驗(yàn)研究和空間探測(cè)的重要組成部分。無論是過去還是現(xiàn)在，世界上的航天大國對(duì)此都很重視，他們利用各種航天器進(jìn)行了暴露平臺(tái)的搭載，開展了大量的研究。開展此類搭載試驗(yàn)費(fèi)用高、機(jī)會(huì)少，可利用的資源有限。盡管我國已有返回式衛(wèi)星、神州號(hào)載人飛船，但我國未加入到國際空間站這項(xiàng)巨大的空間工程中，沒有長(zhǎng)期的暴露試驗(yàn)平臺(tái)?，F(xiàn)在我國已啟動(dòng)了自己的空間站計(jì)劃，利用空間站提供的獨(dú)一無二的低地軌道平臺(tái)開展材料暴露試驗(yàn)，既可以為我國航天器設(shè)計(jì)工程材料選用提供技術(shù)指標(biāo)，完善空間應(yīng)用材料和元器件的篩選方法及其評(píng)價(jià)試驗(yàn)技術(shù)體系，打破空間大國的技術(shù)壟斷格局，也可以利用空間飛行暴露試驗(yàn)取得的材料與空間環(huán)境作用的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為材料的發(fā)展和改進(jìn)提供方向。

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