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“嫦娥”奔月的“煩惱” 太空中存在的“腐蝕”問題

文章來源:金屬研究所   發布時間:2019-04-23  【字號:     】  

  浩瀚無垠的宇宙中蘊藏著許多未知的奧秘,它仿佛擁有著巨大的魔力,吸引著人類不斷探索。月球,是人類太空探險的第一步。但由于潮汐鎖定現象,月球圍繞地球的公轉周期與其自轉周期相同,導致人類在地球上始終只能觀測到月球的“正面”。因此,多年以來,人類對月球背面的了解非常有限。直到2019年1月3日,嫦娥四號探測器自主著陸月球背面的馮·卡門撞擊坑內,實現人類首次月背軟著陸,并傳回第一張月球背面的近距離影像。

  但“嫦娥”的奔月之旅其實并不輕松,甚至可謂是困難重重。其中,太空中材料的腐蝕就是令科學家們比較頭疼的問題。

  說到腐蝕,大家可能并不陌生,因為在我們生活中,它每時每刻都在發生。例如:廚房鐵鍋的生銹,碳酸飲料對牙齒的腐蝕,街道護欄的風化開裂等等。可以說,腐蝕無時無刻不在影響著我們的生活。但有人可能會問,太空既然是高真空環境、沒有水的存在,航天器應該不會像地球上那樣腐蝕吧?但令人意想不到的是,與“溫順”的地球環境相比,真實的太空對航天器的“外衣”甚至威脅更大。

  舉一個真實的例子,“和平號”空間站作為美俄國際空間站合作計劃的一部分,是蘇聯建造的第一個軌道空間站(蘇聯解體后歸俄羅斯)。據統計,它實際在軌工作的十多年時間里,共發生近2000處故障,其中70%的外體遭到腐蝕。

  那么,究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蝕失效呢?“嫦娥”奔月途中,到底會面臨怎樣嚴峻的考驗呢?我們首先從太空中的環境說起。

  其實,太空的真實環境遠沒有科幻電影中描述的那般美好,到處都存在著人類肉眼所看不見的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射,也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。它們對人體的危害可以說是致命的。但由于地球磁場與大氣層對宇宙輻射的偏折和吸收作用,才能保證人類在地球上的正常生活。可是,一旦脫離兩者的保護,完全暴露在這種強輻射環境中,即便是穿著厚重的宇航服,也不能完全避免宇宙輻射對人體的傷害。當然,面對太空中如此高強度的輻射,航天器也會“深受其害”。

  其中,太陽所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽光的5%左右,但是能量卻很大。太空中,由于缺少地球磁場及大氣層的“保護屏障”,航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會引發聚合物的自我氧化、降解。另外,紫外線中的單個光子所具有的能量足以破壞聚合物間的化學鍵,使其斷裂、交聯,從而導致聚合物材料性能的急劇下降。因此,為了盡可能的削弱宇宙輻射對航天器的影響,人類航天任務的發射甚至會刻意避開太陽耀斑活動頻繁的時間周期。

  此外,當航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護,首先接觸的便是低地球軌道環境(距離地球200-700km),該區域所處的殘余大氣中,氧含量約占總組分的80%。眾所周知,氧元素是造成材料腐蝕加