邱家穩(wěn) 沈自才 肖林

（1 中國空間技術研究院，北京 100094）（2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）（3中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

航天器在軌運行期間所面臨的空間環(huán)境包括真空、低溫與冷黑、帶電粒子輻射、太陽電磁輻射、空間碎片、微流星體和原子氧等［1-2］。這些空間環(huán)境對航天器的敏感材料和器件帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，可導致其性能退化甚至失效，嚴重影響其在軌可靠性及壽命。近年來，針對單一因素環(huán)境效應的地面模擬試驗研究，人們開展了大量的工作，但試驗結果與空間飛行數據并不完全吻合。這是因為多種環(huán)境因素組合產生了與地面試驗單一因素不同的新的協(xié)和效應。因此，要對航天器在軌時的空間多因素環(huán)境協(xié)和效應進行研究，以指導航天器敏感材料與器件的空間環(huán)境效應地面模擬試驗，并對航天器空間環(huán)境故障分析提供指導。目前，如何對空間多因素環(huán)境協(xié)和效應進行準確評價 以及如何調控與利用空間環(huán)境 已成為未來長壽命航天器建造的制約性環(huán)節(jié)之一。在航天器材料與器件的設計、研制與選用過程中，要充分考慮空間多因素環(huán)境協(xié)和效應對其性能的影響，進而在地面模擬試驗過程中加強環(huán)境協(xié)和效應試驗方法、退化機理、預示方法與防護措施的研究，以更好地提高航天器在軌的可靠性，滿足新一代航天任務與航天器長壽命的要求。

本文在對空間環(huán)境協(xié)和效應研究必要性進行梳理和分析的基礎上，對航天器艙內外環(huán)境協(xié)和效應進行了分析。

2 空間環(huán)境協(xié)和效應

航天器在軌運行期間所處的空間環(huán)境是復雜的，這些環(huán)境不僅單獨對航天器敏感材料與器件產生作用；還可能誘發(fā)次生環(huán)境，如有的環(huán)境對航天器的作用可能引發(fā)另一個環(huán)境對航天器的效應，有的環(huán)境可能對其他環(huán)境產生的效應具有增強作用，有的則有減弱作用。不同空間環(huán)境因素協(xié)和效應關系見表1。從空間環(huán)境是多因素環(huán)境，不同空間環(huán)境及效應是相互關聯(lián)的，以及提高地面模擬試驗和故障分析的有效性等角度分析可知，單獨研究某一種環(huán)境對航天器的影響，可能出現(xiàn)研究不充分、效應誤差較大等問題，因此，有必要進一步加強空間多因素環(huán)境對航天器性能退化協(xié)和效應的研究。下文將從航天器艙外和艙內兩個方面對空間環(huán)境協(xié)和效應進行分析。

表1 不同空間環(huán)境因素協(xié)和效應關系Table 1 Synergistic effect between various space environments

2．1 航天器艙外環(huán)境協(xié)和效應

2．1．1 空間環(huán)境間協(xié)和效應

1）帶電粒子輻射與太陽電磁輻射的協(xié)和效應

航天器在軌運行期間 其外露材料遭受的環(huán)境輻射不但包括帶電粒子輻射（主要是電子和質子），還包括太陽電磁輻射（主要是紫外線）。在這些環(huán)境綜合作用下，表層熱控材料和光學器件，特別是有機熱控涂層，其性能將出現(xiàn)較大的退化乃至失效。這是因為：帶電粒子輻射不但可能破壞有機材料的化學鍵，而且可引起材料內部發(fā)生電離效應或位移效應；而紫外輻射可造成化學鍵斷裂乃至電離，引起帶電粒子輻射損傷的加劇或損傷的修復。

馮偉泉等［3］對S781白漆、SR107-ZK 白 漆、F46鍍銀、光學表面反射鏡（OSR）二次表面鏡、ACR-1導電白漆等在空間電子、質子和近紫外輻射環(huán)境下的協(xié)和效應進行了地面模擬試驗研究，研究結果與我國東方紅二號衛(wèi)星熱控涂層的飛行試驗結果非常接近。這說明對航天器外露材料采用綜合輻射研究比單因素輻射研究，更能真實反應航天器在軌的實際情況。

2）原子氧與紫外輻射的協(xié)和效應

在200～700km 的低地球軌道上，同時存在原子氧環(huán)境和紫外輻射環(huán)境。大量飛行試驗和地面模擬試驗結果表明，原子氧和紫外輻射環(huán)境是造成低地球軌道航天器表面退化的主要原因［4］。原子氧環(huán)境與紫外輻射環(huán)境對航天器表面材料的協(xié)和作用機理較復雜。一方面，原子氧對紫外輻射效應具有“漂白”作用。紫外輻射可導致航天器表面材料（如溫控白漆）顏色加深甚至黑化，使太陽吸收率增加；原子氧環(huán)境則對紫外產生的溫控漆退化產生“漂白”作用，使其光學性能有某種程度的恢復。另一方面，紫外輻射對原子氧侵蝕效應具有“促進”作用。例如：原子氧和紫外的協(xié)和效應會加劇某些溫控漆表面剝蝕，表現(xiàn)為相互加強的作用，這是因為紫外輻射會導致溫控涂層或者有機聚合物發(fā)生分子鏈的交聯(lián)、化學鍵的斷裂，從而引起材料的表面軟化或者碎裂，為原子氧的侵蝕提供通道，加劇原子氧的侵蝕。

3）空間碎片與原子氧的協(xié)和作用

空間碎片與原子氧的協(xié)和作用將大大加劇空間材料遭受侵蝕的程度。小于1mm 的空間微小碎片通常不會對航天器造成災難性損傷；但是由于其數量大，與航天器的碰撞概率高，對航天器表面多次撞擊造成的長期積累效應是很明顯的。在微小碎片的撞擊下，航天器空間功能性防護膜上會出現(xiàn)許多孔洞或裂紋，雖然這些缺陷小得難以發(fā)現(xiàn)，但給原子氧提供了一個進入基底材料的通道，原子氧進入防護層下潛蝕并掏空，引起防護層撕裂和脫落，進而導致防護措施失效 尤其是對大面積板形結構的平面陣天線和太陽電池陣危害更大。以色列Ronen Verker研究小組利用激光驅動的高速微小碎片，研究了微小碎片與原子氧對航天器表面聚合物熱控材料的協(xié)和效應，研究發(fā)現(xiàn)微小碎片高速撞擊熱控材料后引起了原子氧侵蝕速率的增加［5］。碎片撞擊形成的孔洞為原子氧侵蝕提供了大量的微觀表面，從而增加其侵蝕速率，這就說明由于微小碎片的撞擊而引起原子氧侵蝕的增強，給航天器表面材料帶來了更大的危害，從而證實了兩者的協(xié)和作用確實存在。

2．1．2 空間環(huán)境誘導效應

1）空間多環(huán)境因素誘導污染效應研究

在空間環(huán)境誘導污染效應研究中，國外的研究主要關注空間紫外輻射、表面帶電和空間碎片等誘導污染效應。

（1）空間碎片與微流星體誘導污染效應。空間碎片和微流星體可能與航天器發(fā)生碰撞并導致航天器的損傷，損傷的種類與程度取決于航天器的大小、構型和工作時間，以及微流星體質量、密度和速度等特性。這種撞擊損傷包括壓力容器的破裂、舷窗的退化、熱控涂層的層裂、熱防護性能的降低和天線系統(tǒng)的損傷?？臻g碎片和微流星體對航天器造成損傷的同時，其撞擊過程中產生的噴濺物也對航天器造成污染。例如，超高速碎片撞擊大面積太陽電池陣，其產生的污染可吸收或散射特定波長的電磁輻射。由超高速撞擊引起的污染，可導致透明表層玻璃材料的太陽透過率產生高達15%的退化［6］。

（2）紫外輻射、原子氧與污染的協(xié)和效應。紫外輻射和原子氧侵蝕均會造成航天器材料的出氣，出氣物質在航天器表面的沉積，會導致對航天器敏感材料和器件的污染，光學器件透過率的降低，熱控涂層性能的退化等。然而，紫外輻射和原子氧對航天器材料的誘發(fā)污染機制是復雜的。首先，紫外輻射造成航天器表面材料，尤其是有機材料發(fā)生化學鍵的斷裂，吸附分子和材料組分的解吸附，從而引起出氣，導致污染效應的發(fā)生；其次，原子氧的掏蝕和對航天器表面材料的濺射及化學反應，引起材料分子或組分在周圍擴散沉積，造成對航天器的污染；再次，原子氧對航天器材料的侵蝕和濺射產生的污染物，在航天器表面沉積并受到紫外輻射的作用后，將固化在航天器的表面，加劇了污染對航天器的影響；最后，航天器表面的污染在原子氧的濺射與化學反應的作用下，又將發(fā)生剝蝕與減少，對污染起到減緩的作用。因此，紫外輻射與原子氧對其誘發(fā)的污染效應機理與航天器表層材料的成分 結構等密切相關。針對不同的航天器材料，要分別分析。

（3）表面帶電對污染的增強效應。航天器表面充電后還會產生帶電粒子吸附，從而增加表面污染，這是由于從航天器上出氣或濺射出來的中性原子，被太陽光電離或與其他離子交換電荷，產生一個低能離子群。這些離子會被吸引到帶負電的表面并附著其上，使表面光學性能產生變化，溫度升高，透射率降低，吸收系數增大，表面電導率減小。航天器表面污染還會引起入射電子和次生電子數量的變化，從而引起光電性能的變化，表面電導率減小，加劇表面充放電。表面帶電還將引起空間環(huán)境等離子體測量的誤差。

（4）帶電粒子與紫外輻射的污染誘導協(xié)和效應。帶電粒子與紫外輻射也會引起航天器外露材料或器件的出氣，從而加重航天器敏感材料或器件的污染，造成其光學性能下降。對熱控材料，則造成其太陽吸收率升高，影響航天器熱控的安全性。真空紫外環(huán)境會造成污染物的蒸發(fā)，并改變表面沉積污染物的形態(tài)，使聚合物分子間化學鍵斷裂重聯(lián)，造成污染物與基底之間產生化學變化，加重污染效果。

2）空間多環(huán)境因素誘導充放電研究

帶電粒子的不均勻沉積和紫外輻射造成的光電效應等，導致航天器結構出現(xiàn)電位差，從而誘發(fā)航天器表面帶電及自發(fā)放電現(xiàn)象。表面放電通常會造成航天器表面材料穿孔性局部損壞，導致航天器中的敏感材料與器件因瞬間的高電壓、高電流而毀壞失效。低地球軌道航天器不可避免地會受到空間微小碎片的撞擊，研究結果表明，空間碎片撞擊后產生的帶電碎片噴射物是具有高電導率的等離子體，它為放電提供了一個便利的渠道，從而引發(fā)持續(xù)的電弧放電現(xiàn)象。靜電放電能夠在太陽電池陣中產生持續(xù)的二次電弧，并且一定是在邊緣發(fā)生（如在太陽電池片之間，在那里存在偏壓和介質材料）。然而，超高速碎片產生的噴射物和污染，能夠較靜電放電更容易誘發(fā)太陽電池陣二次電弧，這在文獻［7］中得到了確認。文獻［7］中，以4．9km／s發(fā)射的Al粒子產生負粒子噴射，在撞擊點附近55cm 的位置、幾毫秒的時間內變?yōu)檎姾伞？紤]到這個二次電弧放電誘發(fā)機制，可以認為撞擊產生的等離子體或者碎片噴濺物，是太陽電池片之間1mm 縫隙處放電的原因（見圖1）。此外，空間高真空、高低溫及溫度交變也將與原子氧、輻射等環(huán)境發(fā)生協(xié)和效應，進而對航天器的在軌性能與可靠性帶來威脅。

圖1 碎片誘發(fā)太陽電池片間放電示意圖Fig．1 Discharge of solar panel induced by space debris

2．2 航天器艙內環(huán)境協(xié)和效應

航天器密封艙長期在軌運行期間，還要承受艙內溫濕度／氣流、殘余／次級輻射和微生物等環(huán)境協(xié)和效應的影響，以下就艙內綜合環(huán)境對材料和生物的協(xié)和效應進行分析。

2．2．1 微生物與微振動協(xié)和效應

航天器艙體轉位、機械臂運動和太陽電池陣展開等在軌操作，會引起航天器的振動；在空間微重力環(huán)境中，這種振動很難自行衰減，從而造成航天器結構材料和部分功能材料因振動而產生應力疲勞。在長期應力作用下，艙內微生物對金屬材料的腐蝕會加劇。在振動應力和微生物腐蝕的共同作用下，金屬材料表面的氧化膜被微生物腐蝕而造成基底金屬的裸露，使裸露金屬表面和未破壞的材料表面分別形成了陽極和陰極，從而進一步產生電化學腐蝕現(xiàn)象［8］。而且，由于裸露的金屬陽極面積比陰極小得多，陽極將承受很大的電流密度，這也會加速已破壞表面的腐蝕。如果這種腐蝕得不到有效控制，被破壞處將逐漸形成裂紋，從而造成航天器結構材料的損壞和功能材料的失效，并最終影響航天器的在軌可靠性和安全性。

2．2．2 微生物、溫濕度和氣體循環(huán)協(xié)和效應

航天器上適宜的溫度和濕度為微生物的滋生繁殖創(chuàng)造了理想的條件，從和平號空間站和“國際空間站”上的微生物分布情況來看，冷凝水沉積比較嚴重的地方或航天員洗漱區(qū)域，微生物的污染情況最為嚴重［9］。同時，航天員的活動以及空氣的流動，使微生物能夠傳播分散到航天器的各個角落［10］，這使航天器內環(huán)境中的微生物污染狀況更為嚴峻。

除了水以外，微生物的生存還需要一定的有機和無機營養(yǎng)物質。航天員新陳代謝產物，以及航天器上表面涂層、橡膠圈和紡織物等材料，為微生物的繁殖提供了大量的營養(yǎng)物質。微生物分泌物能破壞航天器金屬結構的表面防護涂層和密封膠一方面，微生物將防護涂層的有機物作為營養(yǎng)源，附著在其上生長繁殖，對其進行腐蝕，使其失去防護作用；另一方面，部分微生物的代謝物也會對防護涂層進行腐蝕。一旦防護涂層遭到破壞，微生物將進一步腐蝕基體金屬，從而造成結構或功能材料的失效。另外，隨著空氣或水中微生物的長期繁殖，大量的微生物、微生物分泌物及其腐蝕產物凝結成黏稠的團狀或絮狀物，可能會造成空氣或水循環(huán)系統(tǒng)的堵塞，影響航天器生命保障系統(tǒng)的正常運行。

2．2．3 微生物與殘余輻射協(xié)和效應

空間站上生長的微生物，不僅受空間站內溫濕度等常規(guī)環(huán)境條件的影響，還受到空間站所處的大環(huán)境的影響?？臻g站上的放射性輻射強度約是地面上的100倍，仍不足以直接殺滅微生物，反而會在一定程度上促進微生物的活性，其機理與低強度超聲波強化污水處理過程相似。

俄羅斯專家N．D．Novikova研究了俄羅斯1986-2000年載人航天中微生物的污染問題，描述了微生物對空間站通信設備上銅線、鈦及橡膠的腐蝕現(xiàn)象［11］。研究人員通過一種特殊的采樣器，收集空間站上的微生物群落。在完成考察和返回地面前，航天員借助采樣器從各種儀器設備表面收集試樣，返回地面2h 后在培養(yǎng)基中培養(yǎng)樣品，再進行研究。研究人員將空間站上的細菌放到地面合成材料上觀察時發(fā)現(xiàn)：1個月的時間里，這些微生物可以將聚酯纖維“咬斷”；3個月的時間里，可以將鋁鎂合金“吃掉”。觀察從空間站帶回的一小塊聚合纖維板后發(fā)現(xiàn)，微生物對它的破壞相當嚴重，其中玖紅球菌的破壞性最強。

通過搭載試驗，中國科研人員證明了微生物在空間輻射環(huán)境下繁殖能力增強的情況（幾乎是翻倍增長），煙曲霉菌等真菌搭載后生長速度加快，形態(tài)分化提前，對霉腐試驗材料的侵蝕能力提高［12］。

2．2．4 空間輻射與微重力協(xié)和效應

研究表明，空間環(huán)境中對生物遺傳變異影響較大的兩個因素是輻射和微重力。輻射可引起細胞損傷和基因突變；微重力不僅能在整體水平上，而且能在細胞水平上影響生命過程?？臻g環(huán)境中的輻射和微重力對生物的影響并不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互影響的。

輻射對植物的影響分為直接效應和間接效應兩個方面。首先，輻射會導致植物中水分子的激活并電離，從而產生一系列的鏈式反應，形成高活性的自由基H2O2O 這些自由基會攻擊DNA造成DNA 改變；其次，輻射可以直接作用于生物體的DNA，造成DNA 堿基的變化、DNA 的斷裂等，從而引起輻射遺傳物質的改變，產生可以遺傳的變異。電離輻射的生物效應是由輻射對細胞直接作用后未能修復或錯誤修復的DNA 損傷引起的。近年來，許多實驗結果表明：電離輻射不但能在直接擊中（靶向）的細胞中產生輻射損傷，而且能夠通過輻射損傷信號的遠程傳遞，對未受到輻射、但處于同一生理環(huán)境中的細胞產生同樣的輻射損傷，即輻射旁效應。

3 啟示與建議

經過幾十年的發(fā)展，目前世界各航天大國已經初步具備開展航天器空間多因素環(huán)境協(xié)和效應地面模擬試驗評價的能力，并開展了一系列的地面模擬試驗研究，但試驗結果與實際在軌環(huán)境并不完全吻合。地面模擬試驗研究的不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面：空間多因素環(huán)境及效應地面模擬能力不足、空間多因素環(huán)境協(xié)和效應機理不清楚、空間多因素環(huán)境協(xié)和效應試驗方法不夠完善、尚不具備空間多因素環(huán)境協(xié)和效應仿真能力。為此，可以從多因素環(huán)境協(xié)和效應地面模擬試驗裝置、協(xié)和效應機理、試驗方法、仿真預示技術以及綜合防護技術開展相關工作。

1）搭建多功能綜合環(huán)境效應地面模擬試驗裝置

能夠同時實現(xiàn)多種空間環(huán)境及效應的地面模擬試驗裝置，是開展空間多因素環(huán)境協(xié)和效應地面模擬試驗的前提。為此，要搭建不但能夠同時實現(xiàn)空間電子、質子、紫外、空間碎片、原子氧、等離子體、真空、高低溫及污染環(huán)境的地面模擬試驗裝置，而且要具備對各類空間環(huán)境因素及效應的實時監(jiān)測能力，具備對材料成分和微觀缺陷的原位分析能力，這也是目前航天大國空間環(huán)境模擬試驗的發(fā)展趨勢［13］。

2）加強多因素環(huán)境協(xié)和效應機理研究

針對不同的材料或器件，空間環(huán)境對航天器的協(xié)和效應，或者空間環(huán)境對航天器的誘發(fā)效應的機理是不同的，只有對這些效應和機理進行充分研究，才能正確判讀試驗結果，指導試驗方法，分析性能退化趨勢。

3）建立空間多因素環(huán)境協(xié)和效應試驗方法

在地面模擬試驗過程中，往往很難同時實現(xiàn)所有環(huán)境因素的共同作用，同時，還要受到環(huán)境模擬試驗能力的限制，一般采用幾種環(huán)境同時作用或者順序作用的方法。因此，要建立空間多因素環(huán)境協(xié)和效應試驗方法及其等效性評價體系 以提高航天器空間多因素環(huán)境協(xié)和效應研究的有效性。

4）加強航天器多因素環(huán)境協(xié)和效應仿真及預示方法的研究

由于地面模擬試驗很難實現(xiàn)航天器全生命周期的模擬試驗，因此可在分析航天器性能退化機理和試驗的基礎上，建立航天器敏感材料和器件的性能退化預示模型，以對其在軌性能進行仿真預示。

5）大力開展航天器空間環(huán)境協(xié)和效應的綜合防護方法研究

結合空間環(huán)境協(xié)和效應的特點，在充分了解其作用機理的基礎上，針對航天器的外部環(huán)境，研究對原子氧、紫外輻射和帶電粒子輻射的綜合防護方法，同時，加強航天器內部微生物、溫濕度和振動等控制措施，以延長材料和器件的使用壽命。

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