太空中也要“防腐”

瞿立建

太空沒有水，空氣稀薄到幾乎沒有的程度，在太空邀游的航天器的“皮膚”是不是可以保持素顏了？不再像在地球上那樣，不“化妝”就會失去“高顏值”，銹跡斑斑？

還真不是這樣，太空環(huán)境對航天器“臉面”的傷害還是很殘酷的。舉例來說，“和平”號空間站是前蘇聯(lián)建立的一個軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸了俄羅斯），它是人類首個可長期居住的空間研究中心，在長達(dá)15年的在軌時間里，“和平”號共發(fā)生近2000處故障，70%的外體遭到腐蝕，俄羅斯政府無力承擔(dān)巨額的維修費用，在2001年3月20日不得不將其墜毀。

那么，太空中有哪些因素會對航天器造成腐蝕呢？

原子氧

氧主要有三種存在形式。我們呼吸的氧氣分子由兩個氧原子組成。地球大氣的平流層里，三個氧原子結(jié)成一伙，組成臭氧分子。在地球高層大氣中（距地面200千米～700千米高處），空氣非常稀薄，氣壓約為地面氣壓的十億分之一，但是這里仍然是有空氣的，這里成雙配對的氧氣分子被太陽的紫外光拆散成形單影只的氧原子，稱為原子氧。

原子氧具有極強的氧化性，可與空間飛行器的表面材料反應(yīng)，將材料氧化，基本上能被氧化的材料都無法逃脫原子氧的毒手。如果航天器軌道比較低，情況更是雪上加霜，航天器將會受到原子氧和氧氣分子的雙重腐蝕。

航天器與原子氧和其他氣體進行相互作用，會產(chǎn)生明亮的橙色輝光。這個現(xiàn)象最早是1982年宇航員在自己乘坐的航天飛機上發(fā)現(xiàn)的。

原子氧對金屬表面的腐蝕還不是太令人擔(dān)心，因為會在金屬表面形成一層氧化層，可以阻止進一步的氧化。但金屬銀例外，因為氧化銀會剝落。最麻煩的是有機高分子材料。現(xiàn)在一般采取的方法是給高分子材料加一層“金鐘罩”，即施加幾百納米厚的保護涂層。比如涂層可以是金、鍺、硅，這些物質(zhì)反應(yīng)活性低，對氧的撩撥無動于衷。還可以給航天器涂一層二氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫。

這些物質(zhì)已經(jīng)是氧化物了，原子氧無隙可入。

電磁輻射

電磁輻射就是電磁波。我們對電磁輻射非常熟悉了，手機通話上網(wǎng)、觀看電視，靠的是電磁輻射中的無線電波。我們能看到五彩斑斕的世界，也是靠電磁輻射中的可見光。我們拍胸片、照CT檢查身體，靠的是電磁輻射中的X光。家里廚房的微波爐用電磁輻射中的微波加熱食物。炎炎夏日，出門要涂抹防曬霜，主要就是防太陽光中的紫外線。非接觸式體溫計利用的是身體發(fā)出的紅外線測體溫。原子核裂變還會放出伽馬射線……

地球上的大氣使我們免于太陽輻射中的絕大部分高能射線的危害，而大氣層之外的航天器則要正面對抗全部的太陽輻射。

太空中的電磁輻射中即使是低能量的紅外線，如果光強度比較大，也可能腐蝕航天器。如果紫外線、X射線、伽馬射線等照射到航天器表面，會使航天器材料的原子里的電子跑出來，這就是光電效應(yīng)。原子被電離以后，更容易與氧反應(yīng)，這樣便加速了材料腐蝕。X射線和伽馬射線甚至能使原子失去內(nèi)層電子，這樣外層電子要躍遷到內(nèi)層彌補空位，同時釋放X射線或伽馬射線，釋放的射線與周圍物質(zhì)再次進行相互作用，又引發(fā)光電效應(yīng)。比較起來，紫外線使材料傷在表面，X射線和伽馬射線使材料傷在內(nèi)部，但是表面的傷會給氧進一步傷害材料提供了可乘之機。因此，紫外線使材料的腐蝕更嚴(yán)重。X射線和伽馬射線給材料帶來的內(nèi)傷，會使材料晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，因此X射線和伽馬射線可能傷害航天器的電子器件，因為電子器件發(fā)揮功能依賴于半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)。

輻射還可以使航天器溫控涂料退化，給航天器和航天員帶來嚴(yán)重的安全威脅。減弱輻射對航天器表面腐蝕最直接的方法就是給航天器表面施加光學(xué)多層膜涂層。

微流星體和太空垃圾

微流星體是太空中非常小的流星體，質(zhì)量在1克左右，平均速度約為20千米/秒。太空垃圾是在繞地球軌道上運行、但不具備任何用途的各種人造物體。這些物體小到固態(tài)火箭的燃燒殘渣，大到在發(fā)射后被遺棄的多級火箭、廢棄的衛(wèi)星等，平均速度約為9千米/秒。

微流星體和太空垃圾撞在航天器上，可以使航天器表面坑坑洼洼，像青春痘印，不僅降低了航天器的“顏值”，還會給原子氧腐蝕航天器提供了可乘之機。微流星體和太空垃圾如果正好碰上電線、電纜、壓力容器，有可能造成嚴(yán)重的安全事故，也會給進行太空行走的宇航員帶來生命威脅。

“反腐”不斷努力中

自航天飛機第一次飛行以來，航天科技界就認(rèn)識到太空“防腐”的重要性，經(jīng)過幾十年的探索，現(xiàn)在已經(jīng)對太空腐蝕有了深刻的認(rèn)識，可以定量化研究原子氧對材料的腐蝕，已經(jīng)開發(fā)出防原子氧腐蝕的涂層，并可以在地面上進行原子氧腐蝕的地面實驗研究，有預(yù)言原子氧腐蝕的成熟的數(shù)學(xué)物理模型。但是，輻射及其與其他因素的協(xié)同效應(yīng)對航天器表面材料腐蝕的影響，現(xiàn)在還沒有成熟的研究。另外，對航天器材料的一個重要且艱難的研究是預(yù)言材料的耐久性，尤其是長期耐輻射性，需要新的頭腦加入其中，貢獻力量，使航天飛行更安全、更經(jīng)濟。同學(xué)們，你們會加入進來嗎？

責(zé)任編輯：陸艷 責(zé)任校對：夏越endprint