載人航天器密封艙內非金屬材料控制

俞 進，于 瀟，魏傳鋒

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙內使用了大量種類不同的非金屬材料，其性能、用途各不相同。在密封環境條件下，如果材料選擇不當，可能會釋放有害氣體，也可能被引燃，或因老化而構成潛在安全隱患，對航天員的健康和正常工作造成威脅。因此，載人航天器必須對非金屬材料的選擇、使用進行控制。本文參考國外有關標準和做法，提出了載人航天器非金屬材料選用原則、控制措施和試驗驗證方案。

1 國外對非金屬材料控制情況介紹

1.1 美國對非金屬材料的控制

美國NASA對非金屬材料控制方面有系統的要求和嚴格的規定。在NASA-STD-6001[1]中對可燃環境中非金屬材料的可燃性、氣味、逸出氣體和相容性提出了相關要求與測試方法：載人航天器可居住環境部位（包括飛行器、裝載設備及試驗設備等）所用材料都必須進行可燃性、氣味和逸出氣體的測試；用于其他部位的所有材料必須進行可燃性評估測試。此外，當材料暴露于液氧或其他可起反應的液體環境時，必須評估其與液體的相容性；暴露于增壓供氧環境的材料必須進行氣味和逸出氣體的評估測試等。根據測試試驗結果，NASA建立了非金屬材料的禁用、限用材料的數據庫。只有試驗結果合格的材料才允許使用[2-3]。

1.2 歐洲對非金屬材料的控制

歐洲對非金屬材料控制同樣制定了詳細的標準，在ECSS-Q-70《材料、機械零件和工藝》[4]中提出了材料選擇的標準和規則，以及評價、確認和鑒定（或鑒定試驗）程序等。

材料選擇時考慮溫度、熱循環、真空、細菌和真菌繁殖、輻射、雷擊、電化學腐蝕、應力腐蝕、原子氧、微流星體和空間碎片、機械接觸表面作用（冷焊、磨損）等環境因素，以及可燃性、放氣性、毒性、液體相容性、電化學相容性、電荷和防靜電、吸濕性和壽命等材料特性。

1.3 俄羅斯對非金屬材料的控制

俄羅斯材料試驗的公開文獻很少。在與其航天專家交流的過程中了解到，關于非金屬材料方面的內容在俄羅斯國家標準《載人航天器中航天員的居住環境（醫學－工程總要求）》[5]和《關于建立載人空間飛行器乘員艙防火安全設計標準的說明報告》[6]中有所體現。前者提出了載人航天器居住艙采用的非金屬材料及其選用要求。后者提出了對非金屬材料阻燃方面的要求，包括常規重力和微重力工況下的耐火參數要求等。

在試驗的實施方面，俄羅斯對載人航天器內的主要非金屬材料進行了常規重力和微重力環境下的阻燃試驗，通過比對試驗結果判定艙內不同類別非金屬材料的阻燃特性，從而確認其是否能在航天器上使用。

2 非金屬材料選用及控制措施

按照國外的載人航天器非金屬材料控制經驗，應首先確定非金屬材料選用原則，劃分出非金屬材料選用范圍。然后根據非金屬材料的使用環境，制定非金屬材料篩選試驗項目及試驗要求。

2.1 選用原則

1）材料的防火、防靜電及阻燃性能好；2）材料的熱穩定性好；

3）材料使用過程中無污染組分脫出；

4）材料脫出物不影響光學表面和電子元器件正常工作；

5）材料不存在因相互作用形成易燃、易爆或有毒的二次危險化合物的情況；

6）材料應在工業生產超過3個月后使用，以保證其工藝穩定性。

2.2 選用范圍

非金屬材料應在航天器允許使用的材料選用目錄范圍內選用。優先選用飛行環境與載人航天器接近的衛星或國外載人航天器已使用過的非金屬材料。參考國外材料選用“黑名單”，限制使用橡膠、膠類、塑料及涂料等非金屬材料，禁止使用脫出刺激性氣體的非金屬材料。

2.3 選用要求

對于密封艙內的非金屬材料，應通過可燃性、出氣、氣味方面的篩選試驗檢測，試驗結果合格才可上天使用。可燃性試驗包括阻燃及燃燒產物試驗。出氣、氣味試驗可以合并進行。

對于可能因為出艙建立起低壓環境的密封艙內使用的非金屬材料，在選用前還應通過材料揮發性能試驗的檢測，包括真空中材料質量損失和可凝揮發物的測試。

2.4 控制措施

對于不符合選用要求的非金屬材料，應采取有效措施進行控制，包括：

1）控制材料的使用量、使用位置及使用方式。如對于阻燃性能不合格的材料，應控制其使用量小于1 kg，且分散使用，使用位置在金屬夾層內或密閉容器內，則該材料仍可在密封艙內使用。

2）艙內設置阻隔材料。如對于阻燃性能不合格的材料，采取在其表面粘貼阻燃材料的措施，則該材料仍可在密封艙內使用。

3）改變材料特性。如對材料采取真空脫氣處理，則其逸出有害氣體的數量和種類將大大減少，達到使用標準后可在密封艙內使用。

4）調整更換材料類型。選取功能、性能相同且試驗結果合格的材料代替不合格的材料。

3 非金屬材料試驗驗證

依據非金屬材料選用要求，需開展可燃性、逸出有害氣體、真空中材料質量損失和可凝揮發物的篩選試驗，還應開展有害氣體的封艙檢測試驗。

常壓環境條件下，進行可燃性、逸出有害氣體試驗即可。低壓環境件下，還需進行真空中材料質量損失和可凝揮發物試驗。

材料的篩選試驗應在航天器設備研制過程中進行。有害氣體的封艙檢測試驗則是在航天器組裝完成后進行，最好是在電性能測試期間進行。

3.1 可燃性試驗

3.1.1 試驗要求

選取載人航天器密封艙內使用的主要非金屬材料，進行常規重力和微重力環境下的阻燃性能測試試驗。

1）常規重力環境試驗

包括阻燃試驗和燃燒產物試驗。2項試驗結果均合格才能判定此種材料常規重力環境試驗結果合格。

阻燃試驗包括垂直燃燒、水平燃燒、45o傾斜燃燒和60o傾斜燃燒4類試驗項目，前2種適用于層面類材料，后2種分別適用于幾種材料組合的狀態和電線/電纜類材料。

燃燒產物試驗對一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫和氰化氫6種有毒氣體的含量進行測定。

2）微重力環境試驗

微重力情況要求在落塔上進行試驗，包括在規定溫度、濕度條件下，進行21%和30%氧濃度（本文氧濃度均指氧氣體積分數）的阻燃試驗。

另外，對于密封艙可能經歷的出艙活動環境，針對出艙過程氧濃度變化，對使用的主要非金屬材料還應進行不同壓力情況下的氧濃度安全試驗。

3.1.2 常規重力環境試驗合格標準

1）阻燃試驗合格標準

① 垂直燃燒試驗：12 s點火垂直燃燒試驗，試驗時材料必須自熄，平均燒焦長度不得超過203 mm，移去火源后的平均續燃時間不得超過15 s，試樣上的滴落物在跌落后的平均續燃時間不得超過5 s。

② 水平燃燒試驗：試驗時材料平均火焰蔓延速率不得超過102 mm/min。

③ 45o傾斜燃燒試驗：試驗時材料在施加火焰時或移開火焰時，火焰均不得燒穿材料?；鹪匆崎_后的平均續燃時間不得超過15 s，平均陰燃時間不得超過10 s。

④ 60o傾斜燃燒試驗：試驗時材料應是自熄的，平均燒焦長度不得超過76 mm，火源移開后的平均續燃時間不得超過30 s，試樣上的滴落物在跌落后的平均續燃時間不得超過3 s。

2）燃燒產物試驗合格標準

一氧化碳體積分數＜3.50×10-3；氟化氫體積分數＜1.00×10-4；氯化氫體積分數＜1.50×10-4；氮氧化物體積分數＜1.00×10-4；二氧化硫體積分數＜1.00 ×10-4；氰化氫體積分數＜1.50×10-4。

6種氣體指標都合格才可判定此種材料此項試驗檢測合格。

3.1.3 微重力環境試驗合格標準

試驗時至少要有 3個標準尺寸試樣的燃燒長度均小于15 cm，該材料才能被認為是阻燃的。同時，著火的試樣不能飛濺出正在燃燒的碎片，造成火焰傳播。

材料試驗結果不符合阻燃合格標準，則該材料限用。

3.1.4 試驗結果

選取密封艙內的典型非金屬材料進行了可燃性試驗。

1）常規重力環境下的阻燃試驗結果表明：檢測的非金屬材料中，1/3為阻燃性能不合格材料，主要包括橡膠、膠粘劑、涂料及復合材料等。

2）常規重力環境下的燃燒產物試驗結果表明：檢測的非金屬材料中，只有約1/5為燃燒產物不合格材料，包括橡膠類、涂料類材料，檢測結果都是氮氧化物超標。

3）微重力環境下的阻燃試驗結果表明：微重力條件下，材料阻燃性能好于地面阻燃試驗中的結果。材料在微重力環境下與在地面環境下燃燒趨勢相同，高氧濃度比低氧濃度下材料燃燒更劇烈，但可燃的氧濃度下限比常規重力場中大氣氧濃度高。當環境中氧濃度高于50%后，微重力環境中和常規重力狀態下的燃燒速率一樣。

3.2 逸出有害氣體試驗

包括脫出一氧化碳、脫出總有機物及氣味指標要求。

試驗合格標準為：

1）脫出一氧化碳≤25 μg/g；

2）脫出總有機物≤100 μg/g；

3）氣味指標不低于1.5級，即有氣味但不強烈。

試驗結果表明：艙內只有極少數材料試驗結果不合格，主要是涂料類材料，表現在一氧化碳超標。

3.3 真空中材料質量損失試驗

試驗合格標準為被測材料總質量損失平均百分比≤1%。已完成的試驗結果表明：艙內只有極少數材料試驗結果不合格，主要是涂料類材料。

3.4 可凝揮發物試驗

試驗合格標準為被測材料可凝揮發物平均百分比≤0.1%。已完成的試驗結果表明：艙內只有極少數材料試驗結果不合格，主要是涂料類材料。

3.5 有害氣體的封艙檢測試驗

所有載人航天器均應進行有害氣體的封艙檢測試驗，來檢測非金屬材料對載人航天器密封艙的總體影響。

通過對載人航天器密封艙較長時間的封閉檢測，可以獲得艙內釋放的污染氣體特性和數量。封閉的艙體要求與即將發射的飛行器狀態相同，包括艙內布局、設備技術狀態及使用狀態、非金屬材料使用狀態等。艙體可以非加電狀態運行，最好是按照飛行任務狀態加電運行。艙體封閉時間原則上應超過飛行任務時間，也可根據需要對試驗數據進行推理分析。

地面設計的封艙檢測試驗一般利用常壓條件即可；如飛行過程中有密封艙艙壓不斷下降的情況，則還需開展低壓環境封艙檢測試驗?？衫玫孛嬲婵杖萜髂M航天器在軌飛行的艙內環境，進行材料在常壓和低壓環境下脫出有害氣體比對分析試驗，從而預估脫出氣體產生濃度、速率等的變化情況。

實際的試驗結果表明：經過對密封艙內非金屬材料的控制，封艙檢測試驗的結果均滿足人所能耐受的航天醫學指標要求。

4 結論與展望

載人航天器密封艙內環境對使用的非金屬材料提出了特殊的選用和控制要求。依據本文所提出的非金屬材料控制方法，確定選用范圍，制定控制措施，完成控制設計，并通過試驗驗證篩選出合格的非金屬材料，已成功應用于我國載人飛船上，保證了載人航天器密封艙內的環境滿足航天員的生活和工作需要，取得了良好的效果。

展望載人航天器后續任務，還需開展如下工作：

1）載人航天器密封艙內使用的非金屬材料，不可能全部滿足篩選試驗要求。對于試驗結果不合格的材料，如何采取有效的控制措施，使其既能滿足功能需求，又能滿足載人環境要求，這是今后非金屬材料控制的工作重點。

2）通過非金屬材料試驗驗證，在獲得的材料檢測數據的基礎上，應及時更新非金屬材料的選用范圍數據庫，建立材料使用的黑名單。

3）有害氣體的封艙檢測試驗時間受航天器地面研制周期的約束，不可能很長。如何通過有限的地面封艙檢測試驗數據，推斷出航天器長期在軌飛行中艙內有害氣體釋放的情況成為必須解決的問題，即地面非金屬材料加速試驗方法的研究及出氣模型的建立應是后續工作的重點。

（References）

[1]NASA-STD-6001 Flammability, odor, offgassing, and compatibility requirements and test procedures for materials in environments that support combustion[S],1998

[2]Friedman R, Sacksteder K R.Science and technology issues in spacecraft fire safety, NASA TM-88933, AIAA 87-0467[R], 1987

[3]Friedman R, Urban D L.Progress in fire detection and suppression technology for future space missions, NASA TM-2000-210337; AIAA 2000-5251[R], 2000

[4]ECSS-Q-70B Space product assurance—materials, mechanical parts and processes[S], 2004

[5]俄羅斯國家標準 載人航天器中航天員的居住環境（醫學-工程總要求）[S], 1996

[6]關于建立載人空間飛行器乘員艙防火安全設計標準的說明報告[R], 2002