太空腐蚀



太空没有水,空气稀薄到几乎没有的程度 ,在太空遨游的航天器的“皮肤”是不是可不是可以保持素颜了?不再像在地球上那样,不“化装”就会失去颜值,锈迹斑斑?还真不是这样,太空环境对航天器的脸面还是很严酷的,必须要做好防护工作。

太空中有哪些因素对航天器有腐蚀作用呢?

原子氧

氧主要有三种存在形式。我们呼吸的氧气分子由两个氧原子组成。地球大气的平流层里,三个氧原子结成一伙,组成臭氧分子。在地球高层大气中(距地面200~700公里高处),这里空气非常稀薄,气压约为地面气压的10亿分之一,但是这里仍然是有空气的,这里成双配对的氧气分子被太阳的紫外光拆散成形单影只的氧原子,称为原子氧。原子氧具有极强的氧化性,可与空间飞行器的表面材料反应,将材料氧化,基本上能被氧化的材料都无法逃脱原子氧的毒手。如果航天器轨道比较低,情况更是雪上加霜,航天器将受到原子氧和氧气分子的双重腐蚀。



原子氧产生示意图

航天器与原子氧和其他气体进行相互作用,会产生明亮的橙色辉光。这个现象最早是1982年宇航员在自己乘坐的航天飞机上发现的。



航天飞机尾部的辉光

如何予以减弱原子氧对航天器表面的腐蚀呢?

原子氧对金属表面的腐蚀还不是太令人担心,因为会在金属表面形成一层氧化层,可以阻止进一步的氧化。但金属银例外,因为氧化银会剥落。最麻烦的是有机高分子材料。现在一般采取的方法是给高分子材料加一层“金钟罩”,即施加几百纳米厚的保护涂层。比如涂层可以是金、锗、硅,这些物质反应活性低,对氧的撩拨无动于衷。还可以给航天器涂一层二氧化硅、氧化铝、氧化铟锡。这些物质已经是氧化物了,原子氧无隙可入。



人造卫星表面的金涂层

电磁辐射

电磁辐射就是电磁波。我们对电磁辐射非常熟悉了。我们手机通话上网、观看电视,靠的是电磁辐射中的无线电波。我们能看到五彩斑斓的周围世界,也是靠电磁辐射中的可见光。我们拍胸片、照CT检查身体,靠的是电磁辐射中的X光。家里厨房的微波炉用电磁辐射中的微波加热食物。炎炎夏日,出门要涂抹防晒霜,主要就是防太阳光中的紫外线。非接触式体温计利用的是身体发出的红外线测体温。原子核裂变还会放出伽马射线。



电磁波谱

电磁辐射比较奇怪的一点是,它在空间传播的时候是波,弥漫开一片,而在与物质相互作用的时候,却集中在物质上一点,像子弹(科学中叫做光子)打在物质上。这种奇怪的行为叫做“波粒两象性”。光子的能量与电磁波的频率成正比。各种形式电磁辐射的光子能量从小到大排序为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线。根据辐射能量是否能将原子或分子电离,可将电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。频率低于X射线的电磁辐射为非电离辐射,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。频率高于X射线的电磁辐射可以将原子或分子电离,称为电离辐射,如X射线、伽马射线,另外还有阿尔法射线、贝塔射线、宇宙线等。

地球上的大气使我们免于太阳辐射中的绝大部分高能射线的危害,而大气层之外的航天器则要正面对抗全部太阳辐射。

太空中的电磁辐射中即使是低能量的红外线,如果光强度比较大,也可能腐蚀航天器。如果紫外线、X射线、伽马射线等照射到航天器表面,可以使航天器材料的原子里的电子跑出来,这就是光电效应。原子被电离以后,更容易与氧反应,这样便加速材料腐蚀。X射线和伽马射线甚至能使原子失去内层电子,这样外层电子要跃迁到内层弥补空位,同时释放X射线或伽马射线,释放的射线与周围物质再次进行相互作用,又引发光电效应。比较起来,紫外线使材料伤在表面,X射线和伽马射线使材料伤在内部,但是表面的伤给氧进一步伤害提供可乘之机,因此紫外线使材料的腐蚀更严重。X射线和伽马射线给材料带来的内伤,会是材料晶体结构出现缺陷,因此X射线和伽马射线可能伤害航天器的电子器件,因为电子器件发挥功能依赖于半导体晶体结构。



光电效应示意图

辐射还可以使航天器温控涂料退化,给航天器和航天员带来严重安全威胁。

减弱辐射对航天器表面腐蚀的方法是给航天器表面施加光学多层膜涂层。

微流星体和太空垃圾

微流星体是太空中非常小的流星体,质量在1克左右,平均速度约为20km/s。太空垃圾是在绕地球轨道上运行,但不具备任何用途的各种人造物体。这些物体小到固态火箭的燃烧残渣,大到在发射后被遗弃的多级火箭、废弃的卫星等,平均速度约为9km/s。

微流星体和太空垃圾撞在航天器上,可以使航天器表面坑坑洼洼,像长了麻子,降低航天器的颜值,更内在的伤害是,给原子氧腐蚀航天器提供了可乘之机。微流星体和太空垃圾如果正好碰上电线、电缆、压力容器,有可能造成严重安全事故,也会对进行太空行走的宇航员带来生命威胁。

结语

自航天飞机第一次飞行以来,航天科技界第一次认识到太空腐蚀的重要性,经过几十年的探索,现在已经对太空腐蚀有了深刻的认识,可以定量化研究原子氧对材料的腐蚀,已经开发出防原子氧腐蚀的涂层,已经可以在地面上进行原子氧腐蚀的地面实验研究,已经有预言原子氧腐蚀的成熟的数学物理模型。但是辐射及其与其他因素的协同效应对航天器表面材料腐蚀的影响,现在还没有成熟的研究。另外,对于航天器材料的一个重要且很难的研究是预言材料的耐久性,尤其是长期耐辐射性。

航天发射最令人炫目的时刻是点火那一刻,最令人魂牵梦绕的是在轨运行,而在这背后是幕后材料学家、空间科学家、物理学家、化学家,甚至还有数学家的苦心孤诣的工作。航天事业在科学上依然有很多科学难题,需要新的头脑加入其中,贡献力量,使航天飞行更安全、更经济。小读者,你,会加入进来吗?

后记

本文已经发表在杂志《科学大众·小诺贝尔》2017年第7-8期,49页

在杂志中题目为太空中也要“防腐”

标签: 腐蚀, 原子氧, 电磁辐射, 微流星体, 太空垃圾

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