高真空、没有水的太空环境,会腐蚀航天器吗?

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所属分类:科普

2004年,我国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”。从“嫦娥一号”的豪情远赴,到如今“嫦娥五号”的整装待发,十几年的攻关探索,使我国的探月工程取得了节节胜利。

但“嫦娥”的奔月之旅并不轻松,需要科研团队攻克重重难关。其中,太空中材料的腐蚀就是令科学家们比较头疼的问题。

说到腐蚀,大家可能并不陌生。厨房铁锅的生锈,碳酸饮料对牙齿的腐蚀,街道护栏的风化开裂……都是腐蚀的表现。可以说,腐蚀无时无刻不在影响着我们的生活。

有人可能会说,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腐蚀。但太空的环境真是这样吗?

高真空、没有水的太空环境,会腐蚀航天器吗?

太空中的辐射

其实,太空的真实环境远没有科幻电影中描述的那般美好,而是到处都存在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,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。

它们对人体的危害可以说是致命的,只不过由于地球磁场和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,更不要说完全暴露在太空辐射面前的航天器了。

例如,由于缺少地球磁场及大气层的保护,太空中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,从而导致聚合物材料性能的急剧下降。

因此,为了尽可能的削弱宇宙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。

原子氧的碰撞

当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200~700km),这个区域所处的残余大气中,氧含量约占总组分的80%。

众所周知,氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。在太阳短波辐射的作用下,氧分子会转变为高活性的原子氧,又因为处于高真空、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。

所以,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,使它电学、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。

温度的挑战

在“嫦娥”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,平均温度只有大约-270.3℃。

并且,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,温度可以达到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就会影响材料的性能,并可能造成航天器“外衣”的断裂、分层甚至脆化,缩短安全服役寿命。

镁合金的使用

通过对太空环境的了解,我们可以发现,航天器的腐蚀问题很难避免,科学家们现阶段只能选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料,抑制腐蚀的发生。

其中,作为地球上最轻的金属结构材料之一,镁合金拥有导电性强、比强度高、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。

为了实现减重的目的,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。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,我国科研团队在耐腐蚀方面做了很多工作,自主研发的镁合金镀层更是具有防腐、导电、电磁屏蔽等多功能性,从而在天宫、嫦娥等多个型号的航天器上使用,确保我国在太空探索方面取得成功。