海運及沿海發射期間航天產品的腐蝕風險與應對策略

王旭東，張立偉，張小紅，田志勇

（1.北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083；2.北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

繼酒泉、西昌和太原發射場后，我國正在海南省文昌市建設第4 個航天發射中心，即海南發射場。文昌緯度低、靠近赤道，在此發射航天器可最大限度地利用地球自轉離心力提高火箭的運載能力（對于地球同步衛星）和延長衛星在軌壽命。此外，海南發射場將成為我國新一代大型運載火箭的主要發射基地，火箭尺寸的大小不受鐵軌的限制，可以通過水路運至海南。因此，海南發射場是保障我國航天可持續發展戰略的重要里程碑，建成后，將主要承擔地球同步軌道衛星、大質量極軌衛星、大噸位空間站和深空探測衛星等航天器的發射任務。

在具備上述優勢的同時，海南發射場也給中國航天帶來了一個陌生的課題，即航天器在海運、儲存、綜合測試和發射準備期間的腐蝕問題。

1 腐蝕風險分析

1.1 文昌是我國少有的嚴酷大氣腐蝕性地區

文昌在氣候類型上屬于熱帶季風島嶼型氣候，具有高溫、高濕、多雷暴、強降水、有熱帶氣旋登陸和高鹽霧等氣候特點。該地區環境是典型的熱帶 海洋大氣環境：年平均氣溫24.1 °C；大氣年平均相對濕度＞86%，遠高于GB/T 19292.1《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》規定的最高濕度τ5等級；大氣中的鹽霧含量很高，氯離子的質量濃度在0.01～0.05 mg/m3之間，氯離子的沉降速率在0.0006～0.0137 mg/(cm2·d)之間。而我國的酒泉、西昌和太原發射場都屬于內陸發射場大氣環境，大氣的腐蝕性很弱，不存在像海南發射場那樣嚴酷的腐蝕環境及潛在的腐蝕失效問題。海南發射場與內陸發射場的大氣環境和腐蝕等級見表1。

表1 海南發射場與內陸發射場的大氣環境和腐蝕等級 Table1 The atmospheric environment and its corrosion classes of Hainan launch base and the inland launch bases

1.2 沿海發射場熱帶海洋大氣環境及其效應[1]

1）高溫與太陽輻射

熱帶海洋大氣環境的高溫環境會使電子設備的工作狀態、工作點發生變化，技術性能指標下降，可靠性降低，工作壽命縮短；對運載火箭和航天器的推進劑儲運、加注不利。強太陽輻射會使暴露在自然環境的設施和設備加速老化、變質，令表面涂層開裂、脫落，使某些塑料物質變形、破損，縮短其使用壽命。

2）空氣濕度

當相對濕度大于80%時，易使絕緣材料受潮而導致產品電氣絕緣性能下降，甚至漏電或短路；高濕對運載火箭推進系統、閥門等需要保持干燥部位不利；高濕促使霉菌孢子發芽生長，使金屬及其他材料部件腐蝕，當濕度超過金屬的臨界腐蝕濕度時，腐蝕速度將成倍增長[2-5]。總之，高濕環境對發射場、運載火箭、航天器的光學儀器、設備以及太陽電池的工作有較多不利影響[6]。

3）風與熱帶氣旋

地面大風使火箭發射前的地面載荷加大，對火箭地面測試和平穩、安全起飛不利；超過火箭設計載荷的地面風將導致火箭不能正常瞄準、點火發射；地面大風使發射場建筑物、構筑物載荷加大，對結構穩定、安全不利。熱帶氣旋則由于其生成快、移動速度快、風速高、破壞力強，因而對發射場和運載火箭、航天器的影響和危害更大。

4）降水

火箭轉運、發射時暴露在自然環境中，降水將導致系統絕緣下降、漏電甚至短路，影響火箭、航天器的正常測試、加注、發射。降水會直接接觸發射場地面設施或室外設備，也可能進入發射場地面設施內部，對設施、設備的工作狀態、性能產生影響。長時間或大量降水會使環境濕度上升，對發射場地面設備設施、運載火箭、航天器產生腐蝕，影響設備可靠性與工作壽命。

5）雷暴

發射場地面設備設施、運載火箭和航天器如直接受到電閃雷擊，輕者會損壞，重者則嚴重損毀；加注推進劑后的火箭、航天器，以及推進劑生產、儲存、運輸、加注設備可能會因遭受雷擊而起火爆炸，從而導致發射任務失敗。

雷擊電磁脈沖和雷電感應會對處于其影響范圍的火箭、航天器、測試發射設備產生影響，使某些電子儀器設備性能參數發生改變或失效，甚至是絕緣擊穿，引燃或引爆外泄可燃推進劑、氣體等[7]。

6）海潮與海浪

海潮與海浪在與海風的綜合作用下，會使沿海區域鹽霧濃度大大增高，影響運載火箭、航天器海上運輸安全，影響運輸船在港口的停泊、進出和裝卸載。此外，還會對近海、低海拔的發射場設施安全構成威脅。

7）鹽霧

空氣含鹽（鹽霧）后：一是產生導電性，會使長期處于鹽霧作用區域的電子設備、儀器、電纜等 絕緣性能下降[8]、工作可靠性降低，甚至導致漏電、短路；二是具有腐蝕性，尤其對金屬物質的腐蝕最為嚴重[9]。鹽霧對金屬的腐蝕是以電化學方式進行的，腐蝕機理基于原電池腐蝕[10]。

鹽霧腐蝕是熱帶海洋大氣環境的重要特征。腐蝕的結果使地面設備、設施性能變差，可靠性降低，工作壽命縮短，維護成本增加。

1.3 NASA 肯尼迪航天中心的航天器腐蝕案例分析

對于海南發射場嚴酷的大氣腐蝕環境是否會造成航天器的腐蝕，我國尚無實操經驗，但發生在NASA 肯尼迪航天中心（KFC）的航天器腐蝕案例或許可以帶給我們一些啟示[11]。KFC 位于美國東部佛羅里達州東海岸的梅里特島，瀕臨大西洋，靠近赤道，是美國地球同步軌道衛星、航天飛機、“阿波羅”飛船、“天空實驗室”及各類行星際探測器的主要發射場。無論是地理位置、氣候條件還是發射任務，KFC 都與我國海南發射場極為相似。前期調研發現，KFC 的海洋大氣環境給航天發射活動帶來了嚴重的腐蝕問題。

1989年，在航天飛機發射前的綜合測試中發 現，航天飛機的一個“安全與保險解除裝置”（safety and arming device，S＆A）在通電后無法驅動和切換至保險解除位置（見圖1）。該裝置在船運至KFC 之前的電校驗測試合格。分析表明，海運及至KFC 后的綜合測試期間，由于KFC 大氣中高濃度的鹽霧，S＆A 裝置的1U50664-03 軸承發生了明顯的腐蝕，降低了軸承的抗摩擦磨損性能，由此導致了裝置失效。最后，1U50664-03 和1U50664-04兩個非不銹鋼材質的軸承都被替換為不銹鋼材質的軸承。

1993年，NASA 針對航天飛機軌道器的腐蝕問題專門成立了“軌道器項目腐蝕控制評估委員會”，對航天飛機軌道器在12年間的腐蝕歷史進行了調查。調查發現：軌道器的腐蝕主要發生在發射任務期間航天飛機停留的運載裝配間和發射臺，在軌道器在發射臺停留的近1 個月時間，來自大西洋的高濃度鹽霧、高濕的大氣給軌道器造成了嚴重的腐蝕問題；軌道器的腐蝕區域共有926 個，正式詳細記錄的腐蝕問題有26 個，包括與機械分系統相關的腐蝕問題13 個，與主、次結構相關的腐蝕問題13 個，其中12 個是由發射場大氣中的高濃度鹽霧導致的。

圖1 海運及在肯尼迪航天中心儲藏期間腐蝕失效的S＆A Fig.1 The corrosion failure of S＆A during shipping and at Kennedy Space Center

調研發現，海洋大氣對KFC 的航天器的腐蝕影響范圍主要有：

1）結構與材料類。航天器的各類金屬結構和材料；密封件和密封材料；絕緣材料；各種涂層和鍍層等。

2）電子設備類。航天器的各類電子儀器、設備、電力與信號電線、電纜及連接器、接插件等[12]。

3）光學設備類。航天器的光學敏感器、光學相機、光能電池等。

4）機械電氣設備類。航天器的各類機械電氣設備。

5）推進劑與火工品類。星上發動機火藥啟動器、電爆管、電爆閥。

1.4 海南發射場航天產品腐蝕風險分析

海南發射場是我國少有的嚴酷大氣腐蝕性地區，其大氣腐蝕性顯著高于我國酒泉、西昌和太原發射場，甚至高于KFC。

從1.3 節腐蝕案例來看，雖然NASA 在材料和工藝的選用和產品保證中有嚴格的腐蝕控制要求，但海運和沿海發射場帶來的航天產品腐蝕問題仍時有發生；所以將來在海南發射場發射的航天器，在海上運輸和發射場的儲存、綜合測試、發射準備期間，材料、元器件、零部件甚至組件發生腐蝕的風險是存在的。腐蝕的發生雖然不足以引起航天器結構強度的降低，但腐蝕對航天器的危害是巨大的，主要體現在：

1）腐蝕產物是一種隱性的多余物，且成分較為復雜，往往是金屬、氧化物和鹽的混合物。其中的金屬多余物易導致航天器元器件（如電連接器、繼電器等）發生短路、擊穿、絕緣不良等致命失效；非金屬多余物易則導致航天器元器件、零部件發生阻塞、觸點不通或接觸電阻過大等失效。

2）腐蝕會導致航天產品表面的光學、電、熱控和磁性能等退化。

3）腐蝕危害具有延時性。雖然腐蝕主要發生在海運和發射場的儲存、綜合測試、發射準備等地面階段，但腐蝕的危害性會延伸至航天器的在軌運行階段。

此外，我國現行的航天器包裝技術要求主要適用于以往內陸發射場的公路、鐵路、飛機運輸及測試、發射過程[13-15]，包裝箱、星（船）衣是否能夠滿足海運和文昌發射中心高腐蝕性大氣的防護需求是未知的。

2 國外應對腐蝕風險的策略

為避免和降低海運和沿海發射場海洋大氣環境對航天產品的腐蝕風險，NASA 和ESA 制定了多項應對措施，主要包括：

1）頒布各類技術標準，針對航天器的設備、組件、元器件、材料和工藝[16]推行以鹽霧和濕熱試驗為主的環境適應性評價和保證工作

NASA/TP-1999-209263《Multilayer Insulation Material Guidelines》[17]（多層隔熱材料指南）指出：多數發射場都建在沿海，雖然多數航天器在運至發射塔和安裝至運載火箭的過程中都是在凈室或環境密封艙內操作，并且在發射塔期間還處于有恒溫恒濕空調保障的隔離間內，但鹽霧等海洋性大氣依然能夠通過空調與航天器接觸，因此，在多層隔熱材料的設計中，要考慮材料在鹽霧等海洋大氣環境下的腐蝕問題，進行有關鹽霧試驗評價。鹽霧試驗要求按照美國材料與試驗學會標準ASTM B117 《Standard practice for operating salt spray (fog)apparatus》（鹽霧試驗設備標準操作規程）的規定進行。表2給出了NASA、ESA 要求使用鹽霧和濕熱試驗進行環境適應性評價的主要技術標準。

表2 NASA、ESA 要求使用鹽霧和濕熱試驗進行環境適應 性評價的主要技術標準 Table2 The standards adopted by NASA and ESA of salt spray and humidity test for environmental adaptability evaluation

2）航天器與沿海運輸、裝卸的兼容性設計與防護

在NASA 航天器設計準則SP-8000《NASA Space Vehicle Design Criteria SP-8000》系列中，NASA SP-8104《Structural Interaction with Transpor- tation and Handling Systems》（結構與運輸和裝卸系統間的相互作用）介紹了航天器結構與運輸、裝卸系統間的兼容性設計準則與防護策略。值得注意的是，其中與環境的兼容性設計和防護同海運中的海洋氣候環境相關。下面將介紹NASA SP-8104 中航天器與運輸環境的兼容性設計的相關內容[27]。

①航天器與運輸、裝卸環境兼容性設計的必要性。在運輸、裝卸過程中，包括暫時性儲存中，航 天器將一定程度地暴露于自然環境中，由此給航天器結構帶來一些潛在的有害影響。因此，需要通過運輸和裝卸系統，或者適當的航天器結構設計，對航天器結構施加保護來避免這些有害影響。一種確定航天器在運輸和裝卸過程中關鍵性環境因素的方法是使用物流流程圖。物流流程圖能夠詳細說明運輸和裝卸過程中的各個階段及與之相關的自然環境，并最終確定環境的嚴酷性、作用頻率和各環境因素間的組合。

②兼容性設計中需要考慮的自然環境及其效應。表3給出了航天器在運輸過程中最經常暴露于其中的環境及其主要的破壞作用。其他的自然環境（包括太陽輻射、臭氧、沙/塵、電磁和粒子輻射、閃電和靜電放電等）并不是運輸和裝卸過程中航天器結構的主要危害。

表3 運輸和裝卸過程中的自然環境及其破壞作用 Table3 The natural environment and its damaging effects during transport,loading and unloading processes

3）航天器與運輸、裝卸系統間兼容性設計的建議措施

要識別并量化航天器在運輸、裝卸包括暫時儲存過程中遇到的自然環境因素，就要判斷這些環境因素的量值是否超過了航天器對這些環境的抗力，進而決定是否需要控制或完全消除這些環境因素對航天器的影響[28]。根據需要，這些自然環境因素及其控制方法可單獨或整體考慮。表4列出了通常需要考慮的自然環境因素及建議的防護措施。這些自然環境因素來自于沿海發射場和一些與發射場連接的船運水路。

表4 建議的自然環境防護措施 Table4 Natural environment and the corresponding protection measures suggested

3 結論及建議

海南發射場地處我國少有的嚴酷大氣腐蝕性地區，未來在此發射的航天器在海運和發射場期間存在腐蝕風險。為降低、防范這些腐蝕風險，提出以下建議：

1）提高航天產品的表面處理工藝水平，提升海運和海南發射場期間產品的抗腐蝕能力。

2）加強航天產品的腐蝕控制管理。在相關原材料、元器件、零部件和工藝的選用中以及批次產品的復驗中，將抗鹽霧、濕熱等耐腐蝕性能作為主要的驗收技術要求。

3）積極開展航天器關鍵材料、元器件、零部件在海南氣候環境下的環境適應性評價研究，逐步完善、健全我國關于航天產品腐蝕控制的技術要求、選用準則和技術標準體系。

4）對現在使用的航天器用包裝箱、星（船）衣能否滿足航天器在海洋運輸及海南發射場期間高腐蝕性大氣的防護需求，進行試驗驗證。

5）識別并量化航天器在海運及海南發射場期間的自然環境，評價這些環境的量值是否超過了航天器的抗力，進而決定是否需要控制或完全消除這些環境對航天器的影響。

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