材料空間暴露試驗綜述

李存惠，史 亮，張劍鋒，楊生勝

(1.蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.蘭州空間技術物理研究所，空間環境材料行為與評價技術重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

隨著空間科學研究的深入和載人航天、深空探測的需要，空間環境的檢測和材料的暴露試驗引起了人們更多的關注和重視。通過發展航天器材料在軌暴露試驗與性能監測技術，可獲得航天器用典型材料性能的在軌試驗數據，并對現行的材料地面模擬試驗方法、試驗評估數據、性能退化的分析模型等進行實際飛行試驗驗證，在此基礎上可對材料空間環境效應的模擬試驗方法及其性能退化分析模型等進行修改、補充和完善，進而推動材料空間環境防護技術和壽命預示技術的發展。本文將對暴露試驗的特點、研究內容、國外幾種典型的暴露試驗情況以及最近幾年國際空間站的試驗作扼要的介紹，為我國開展此類試驗提供參考。

2 暴露試驗的涵義和特點

暴露試驗是指把試驗裝置或被試樣品(材料、元器件或設備)放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環境之中所進行的各種試驗。與普通的科學實驗性比，具有如下特點:1)試驗樣品直接處于真實的空間環境中(很少或沒有任何屏蔽)，這個真實的空間環境包括了微重力、高真空、熱循環、等離子體環境、輻射環境、微流星體/軌道碎片、原子氧等;2)所有的暴露試驗至少進行上述環境因素中的一項或多項的影響試驗，這彌補了地面模擬試驗的不足;3)試驗樣品大多需要回收，以便研究空間環境因素帶來的影響。所以，試驗通常在載人航天器或可回收的航天器中進行;4)航天器必須為試驗提供一個安裝暴露試驗裝置的平臺，它可以是桁架、航天器的外表面或裸露艙段等［1］。

由于空間環境惡劣，且航天器的資源有限，早期的暴露試驗多數是無源的;隨著航天技術水平的提高、資源的增加和科學研究的需要，有源的暴露試驗越來越多。如果暴露試驗被設計為長期的系列試驗，試驗的次序一般是由簡到繁、由主動到被動、由無源到有源。

暴露試驗的時間有長有短，主要取決于它搭載于那種類型的航天器。返回式衛星及航天飛機一般為1～2周;“和平”號空間站的實驗為3個月;尤里卡(EURECA)是9個月;長期暴露裝置(LDEF)為1年;而國際空間上的材料暴露試驗(MISSE1－7)為一個系列試驗，每一期的暴露時間大約為1年。

3 暴露試驗的主要研究內容

國外的空間暴露試驗除MISSE外大多是在上世紀末進行的，研究內容極其廣泛，側重點也有所不同，總結起來主要有以下幾個方面:1)由于暴露試驗處于真實的空間環境中，它是航天用材料、部件、系統性能研究最真實、最可靠的模擬方法。暴露試驗主要考慮樣品與環境因素的作用機理，獲得樣品在軌暴露試驗數據，為航天器的設計、選材提供借鑒;2)空間暴露試驗的開展，可積累環境效應數據并驗證地面模擬試驗的結果，從而不斷提高地面模擬試驗的準確性和完善各種相關設計規范，這對提高航天器的可靠性，降低航天器的成本很有益處;3)暴露試驗代表材料學、生物學研究的一個新工具。新型的、潛在的航天用材料的空間適用性需要通過暴露試驗得到驗證;許多與空間有關的生物學問題(特別是輻射生物學、天體生物學和行星生物的遷移等)可通過暴露試驗進行直接研究。

4 國外幾種典型的暴露試驗

從20世紀80年代開始，美國利用STS－5返回式衛星進行材料空間暴露試驗后，各航天發達國家或獨自或合作開展了多項空間暴露試驗。從第一代空間環境效應監測平臺LDEF開始到國際空間站(ISS)上搭載的平臺，總共發射了20多種暴露平臺，主要可以分為3個類型:1)材料空間暴露平臺，主要研究空間環境對材料的影響，通過暴露平臺研究空間環境對材料的累積和協和損傷效應，其代表性裝置有LDEF和MISSE;2)在軌環境因素監測平臺，主要實時探測各種空間環境因素，其代表性裝置有MEDET和JEM;3)在軌空間環境綜合測試平臺，可同時研究空間環境效應及其與材料相互作用的機制，其代表性裝置有OPM。

4.1 美國的大型長期暴露試驗裝置(LDEF)

20世紀80年代，NASA的長期暴露試驗裝置(Long Duration Exposure Facility，LDEF)及其飛行是目前為止持續時間最長的暴露試驗。經過約10年的準備、設計、研制和各種試驗，LDEF于1984年4月7日由挑戰者號航天飛機(STS－41C)送入高400 km、傾角為28.4°的近圓地球軌道，原計劃于1985年通過STS－51D飛行實施回收，后因故推遲。1986年“挑戰者”號航天飛機發射時爆炸，致使回收再次推遲。直到1990年1月11日才由“哥倫比亞”號航天飛機回收，在軌停留了5.7年(69個月)，經歷了半個太陽活動周期(入軌時處于太陽活動最小，回收時位于太陽活動最大)，繞地球32 422圈。

LDEF的結構呈棱柱形(見圖1和圖2)，它的橫切面是正十二邊形，整體寬4.27 m，長9.14 m，暴露面積130 m2，起飛時質量為9 724 kg。在其周向的12個平表面(72個)和2個端面(14個)分布著86個試驗盒，共進行57項試驗。LDEF采用重力梯度維持在軌的三軸穩定，在軌運行期間不存在因發動機工作產生的加速力和射流污染的影響［2］。

LDEF飛行任務的目的是提供關于空間環境及其對空間系統、元部件和材料效應的長期數據。試驗內容涵蓋:1)空間環境下材料性質隨時間的變化試驗，航天用的光學、熱、機械、電及其他材料的暴露樣品達10 000多種，包括金屬、聚合物、復合材料、陶瓷、玻璃、鍍銀teflon、熱控材料、粘結劑、密封和潤滑材料等;2)航天系統(機械、熱、電和光學系統)的性能試驗(20項);3)航天器能源系統元器件的評價試驗;4)空間輻射及輻射劑量學試驗(其中電離輻射試驗13項);5)空間生物學，輻射生物學試驗;6)空間物理及有關領域的科學研究等。

圖1 長期暴露裝置(LDEF)的示意圖

圖2 長期暴露裝置(LDEF)的實物圖

4.2 國際空間站上的暴露試驗 (MISSE1－7)

國際空間站材料試驗(Materials International Space Station Experiments，MISSE)是一個系列飛行試驗，使用被動暴露試驗箱(PECs)將材料暴露于國際空間站(ISS)外的真實空間環境。PECs在航天飛機中時，樣品面板面對面閉合，通過航天員艙外活動(EVA)打開并安裝在ISS外面(如圖3和圖4所示)。MISSE1－2于2001年安裝于國際空間站上，暴露將近4年后回收;MISSE3－4于2006年8月安裝在國際空間站的氣閘艙上，暴露1年后回收。MISSE1－4為被動試驗，主要考察材料的原子氧效應、太陽輻射效應以及原子氧和太陽輻射的協和效應等。MISSE5于2005年8月被安裝在P6桁架段上，暴露1年后回收。MISSE5包含2個主動試驗和1個被動試驗:先進技術太陽能電池陣試驗(FTSCE)是一個主動試驗，試驗測試了36個現用和未來航天器用太陽能電池的性能;第二個主動試驗測試通訊衛星系統樣機的通訊系統，以及通訊中非定制遙控指令和控制的解決辦法;被動試驗是熱控層材料暴露試驗，包括幾個不同的試驗項目用來測量200種材料在空間環境中的退化機理。MISSE6和MISSE7試驗箱與先前的不同，大部分試驗是主動試驗，MISSE6的主動試驗由空間站提供電源，數據貯存到數據記錄器中，試驗回收時可用。MISSE 6中有6項主動試驗和6項被動試驗，共168個樣品集成到MISSE6的2個PEC(6A和6B)中，于2008年3月置于哥倫布試驗艙外，于2009年9月回收。MISSE7將由ISS提供電源并與ISS具有通訊連接，主動數據每天通過遙感技術回收。包括3個主動和6個被動試驗，共120個樣品集成到PEC7。MISSE6、7試驗包含了空間探測任務相關的材料比如:航天服織物、聚合物熱控防護層、太陽陣防護材料、“O”型密封材料、灰塵減緩材料等［3～5］。

圖3 宇航員打開ISS上被動試驗箱

圖4 MISSE－2“迎風”面

NASA已在MISSE中對數以千計的樣品進行了飛行試驗，其中包括化合物、傳感器、機械活動件、聚合物、溫控材料、生物材料和元器件。目的是對航天用材料在LEO軌道的環境耐久性進行測試，并對潛在的新型航天材料作真實的空間暴露試驗，從而驗證這些材料的可用性。MISSE致力于原子氧效應研究，包括聚合物侵蝕、原子氧散射、壓力對原子氧侵蝕的影響、原子氧通量原位檢測。該系列試驗同時也對太陽輻射效應進行檢測，包括輻射誘發聚合物收縮、壓力對輻射致聚合物降級的影響以及輻射對氧化銦錫(ITO)涂層和航天服織物的影響。還有一些附帶試驗，包括對原子氧和太陽紫外輻射對熱控薄膜、涂層和金屬、陶瓷覆層的綜合影響進行考察。獵戶座飛船密封材料和高壓太陽能電池陣材料也進行了搭載和試驗。同時NASA還在MISSE中設計了一些飛行試驗來對地面空間環境效應模擬設備進行校正，提高地面模擬試驗的準確性。

4.3 和平號軌道站的光學特性監視儀(OPM)

NASA的馬歇爾空間飛行中心(MSFC)為了研究材料空間環境的長期效應(自然或誘發的)，在俄羅斯的和平號空間站上搭載了光學特性監測儀器(OPM)，它同時也可監測環境效應誘發材料出氣引起的分子污染。OPM的光學特性監測器把樣品分布在一個圓盤上做暴露試驗，每個樣品被旋轉至若干個測量儀器的檢測路徑上，以進行光學特性的評價。原位測量子系統可以測量光、熱特性:光譜總半球反射比、總的積分散射率(TIS)、真空紫外線輻射(VUV)反射率/輻射能量透入率、總輻射率;環境監測器可測量樣品所遭受空間環境的幾種成分(日/地光線、分子污染物、原子氧);材料光、熱性能的細微變化、表面退化效應、污染效應會在飛行后的分析中確定。OPM的主要部件有:1)反射計子系統;2)總積分散射(TIS)子系統;3)真空紫外分光光度計子系統;4)輻射劑量率監測子系統;5)TQCM子系統;6)原子氧監測子系統。該試驗裝置于1997年1月送上 MIR，1998年 1月回收，有效工作時間為8個月［6，7］。

根據當時的飛行任務，OPM的主要目的有:

(1)測定MIR艙空間環境對材料的影響及其損傷機理

Mir艙是當時僅有的研究在延伸期中圍繞巨大空間平臺的環境和它對材料與系統影響的裝置。Mir艙的高傾斜軌道提供與長期觀察任務(如長期輻照設備)不同的混合環境要素。OPM任務為研究這種環境效應提供了機會。暴露裝置將測定空間環境對光、熱控制，能源系統材料，操作系統的影響。測試材料的原位光學特性測量需要將測試材料重新調整到地面環境以測定空間環境的堆積效應。

(2)提供飛船和光學材料的飛行試驗

重要的材料被要求在圍繞巨大的空間平臺的環境下運作。國際空間站(ISS)儀表裝置和其他未來任務的候選材料被暴露到Mir空間站環境下并通過飛行前(原位)、飛行后的性能測試，掌握輻照效果。

(3)為校驗地面測試設備和預示模型提供數據

所有航天用的候選材料都不能在完成任務期間、在被使用的位置進行飛行測試。地面基礎測試和壽命預言模型是保持空間系統設計和任務計劃的基礎。這些測試和模型需要隨飛行試驗的數據定期進行標定和更新。OPM將提供定期的材料光學性能方面飛行試驗的數據，并將作為地面測試期間的參考。

(4)發展并試驗一種多功能的、可重復使用的飛行儀器，用來在線研究材料的空間環境性能其裝置示意圖如圖5所示;在Mir上的位置示意圖如圖6所示;裝置外觀圖如圖7所示。

圖5 OPM示意圖

圖6 OPM在和平號軌道站上的位置

圖7 OPM裝置外觀圖

5 結束語

材料在LEO環境作用下的性能變化是影響航天器功能和壽命的主要因素之一。航天器有效載荷(如太陽能電池板、光學儀器、熱控系統等)上使用的空間材料在空間環境作用下，其性能會產生衰減甚至失效，從而降低航天器的使用壽命和可靠性。材料暴露試驗主要是研制一種適合空間搭載的在軌飛行試驗裝置，根據不同的任務需求，可在軌實時測量材料太陽紫外輻照、原子氧(AO)、污染、空間輻射、空間碎片/宇宙塵埃等效應。從國外暴露試驗的研究內容來看，原子氧、紫外輻射、空間碎片為LEO最關注的熱點問題，由于空間站上搭載了大量的光學設備，污染效應也是一個關注的熱點;單純地進行材料在軌暴露試驗已經被在軌原位空間環境效應探測所取代。我國在未來進行在軌材料環境試驗時，可在材料暴露裝置上搭載一些技術較為成熟的監測儀獲得在軌數據，如石英晶體微量天平(QCM)等［8］。

暴露試驗是空間科學試驗研究和空間探測的重要組成部分。無論是過去還是現在，世界上的航天大國對此都很重視，他們利用各種航天器進行了暴露平臺的搭載，開展了大量的研究。開展此類搭載試驗費用高、機會少，可利用的資源有限。盡管我國已有返回式衛星、神州號載人飛船，但我國未加入到國際空間站這項巨大的空間工程中，沒有長期的暴露試驗平臺。現在我國已啟動了自己的空間站計劃，利用空間站提供的獨一無二的低地軌道平臺開展材料暴露試驗，既可以為我國航天器設計工程材料選用提供技術指標，完善空間應用材料和元器件的篩選方法及其評價試驗技術體系，打破空間大國的技術壟斷格局，也可以利用空間飛行暴露試驗取得的材料與空間環境作用的第一手數據，為材料的發展和改進提供方向。

［1］吳漢基，蔣遠大，張志遠，等.空間暴露試驗［J］.航天應用，2008，4:39 ～44.

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［3］KIM K G，BRUCE A B，DEVER J A，et al.NASA Glenn Research Center’s Materials International Space Station Experiments(MISSE 1–7)［R］.NASA/TM－2008－215482，2008:1 ～39.

［4］GARY PIPPIN.Summary Status of MISSE－1 and MISSE－2 Experiments and Details of Estimated Environmental Exposures for MISSE－1 and MISSE－2［R］.Dayton:Materials and Manufacturing Directorate，2006:1 ～47.

［5］KRASOWSKI M，GREER L，FLATICO J，et al.A Hardware and Software Perspective of the Fifth Materials on the International Space Station Experiment(MISSE－5)［R］.NASA TM－2005－213840，2005:1 ～20.

［6］KESSLER H P，KRISCHKE C，et al.Material tests in space environment at the orbital space station MIR［C］.Graz:International Astronautical 44th Congress，1993.

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［8］馮杰，王先榮，王鹢，等.一種月塵顆粒電荷質量比原位監測方法［J］.真空與低溫，2010，16(3):138～141.