载人航天器密封舱内非金属材料控制

俞 进，于 潇，魏传锋

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

载人航天器密封舱内使用了大量种类不同的非金属材料，其性能、用途各不相同。在密封环境条件下，如果材料选择不当，可能会释放有害气体，也可能被引燃，或因老化而构成潜在安全隐患，对航天员的健康和正常工作造成威胁。因此，载人航天器必须对非金属材料的选择、使用进行控制。本文参考国外有关标准和做法，提出了载人航天器非金属材料选用原则、控制措施和试验验证方案。

1 国外对非金属材料控制情况介绍

1.1 美国对非金属材料的控制

美国NASA对非金属材料控制方面有系统的要求和严格的规定。在NASA-STD-6001[1]中对可燃环境中非金属材料的可燃性、气味、逸出气体和相容性提出了相关要求与测试方法：载人航天器可居住环境部位（包括飞行器、装载设备及试验设备等）所用材料都必须进行可燃性、气味和逸出气体的测试；用于其他部位的所有材料必须进行可燃性评估测试。此外，当材料暴露于液氧或其他可起反应的液体环境时，必须评估其与液体的相容性；暴露于增压供氧环境的材料必须进行气味和逸出气体的评估测试等。根据测试试验结果，NASA建立了非金属材料的禁用、限用材料的数据库。只有试验结果合格的材料才允许使用[2-3]。

1.2 欧洲对非金属材料的控制

欧洲对非金属材料控制同样制定了详细的标准，在ECSS-Q-70《材料、机械零件和工艺》[4]中提出了材料选择的标准和规则，以及评价、确认和鉴定（或鉴定试验）程序等。

材料选择时考虑温度、热循环、真空、细菌和真菌繁殖、辐射、雷击、电化学腐蚀、应力腐蚀、原子氧、微流星体和空间碎片、机械接触表面作用（冷焊、磨损）等环境因素，以及可燃性、放气性、毒性、液体相容性、电化学相容性、电荷和防静电、吸湿性和寿命等材料特性。

1.3 俄罗斯对非金属材料的控制

俄罗斯材料试验的公开文献很少。在与其航天专家交流的过程中了解到，关于非金属材料方面的内容在俄罗斯国家标准《载人航天器中航天员的居住环境（医学－工程总要求）》[5]和《关于建立载人空间飞行器乘员舱防火安全设计标准的说明报告》[6]中有所体现。前者提出了载人航天器居住舱采用的非金属材料及其选用要求。后者提出了对非金属材料阻燃方面的要求，包括常规重力和微重力工况下的耐火参数要求等。

在试验的实施方面，俄罗斯对载人航天器内的主要非金属材料进行了常规重力和微重力环境下的阻燃试验，通过比对试验结果判定舱内不同类别非金属材料的阻燃特性，从而确认其是否能在航天器上使用。

2 非金属材料选用及控制措施

按照国外的载人航天器非金属材料控制经验，应首先确定非金属材料选用原则，划分出非金属材料选用范围。然后根据非金属材料的使用环境，制定非金属材料筛选试验项目及试验要求。

2.1 选用原则

1）材料的防火、防静电及阻燃性能好；2）材料的热稳定性好；

3）材料使用过程中无污染组分脱出；

4）材料脱出物不影响光学表面和电子元器件正常工作；

5）材料不存在因相互作用形成易燃、易爆或有毒的二次危险化合物的情况；

6）材料应在工业生产超过3个月后使用，以保证其工艺稳定性。

2.2 选用范围

非金属材料应在航天器允许使用的材料选用目录范围内选用。优先选用飞行环境与载人航天器接近的卫星或国外载人航天器已使用过的非金属材料。参考国外材料选用“黑名单”，限制使用橡胶、胶类、塑料及涂料等非金属材料，禁止使用脱出刺激性气体的非金属材料。

2.3 选用要求

对于密封舱内的非金属材料，应通过可燃性、出气、气味方面的筛选试验检测，试验结果合格才可上天使用。可燃性试验包括阻燃及燃烧产物试验。出气、气味试验可以合并进行。

对于可能因为出舱建立起低压环境的密封舱内使用的非金属材料，在选用前还应通过材料挥发性能试验的检测，包括真空中材料质量损失和可凝挥发物的测试。

2.4 控制措施

对于不符合选用要求的非金属材料，应采取有效措施进行控制，包括：

1）控制材料的使用量、使用位置及使用方式。如对于阻燃性能不合格的材料，应控制其使用量小于1 kg，且分散使用，使用位置在金属夹层内或密闭容器内，则该材料仍可在密封舱内使用。

2）舱内设置阻隔材料。如对于阻燃性能不合格的材料，采取在其表面粘贴阻燃材料的措施，则该材料仍可在密封舱内使用。

3）改变材料特性。如对材料采取真空脱气处理，则其逸出有害气体的数量和种类将大大减少，达到使用标准后可在密封舱内使用。

4）调整更换材料类型。选取功能、性能相同且试验结果合格的材料代替不合格的材料。

3 非金属材料试验验证

依据非金属材料选用要求，需开展可燃性、逸出有害气体、真空中材料质量损失和可凝挥发物的筛选试验，还应开展有害气体的封舱检测试验。

常压环境条件下，进行可燃性、逸出有害气体试验即可。低压环境件下，还需进行真空中材料质量损失和可凝挥发物试验。

材料的筛选试验应在航天器设备研制过程中进行。有害气体的封舱检测试验则是在航天器组装完成后进行，最好是在电性能测试期间进行。

3.1 可燃性试验

3.1.1 试验要求

选取载人航天器密封舱内使用的主要非金属材料，进行常规重力和微重力环境下的阻燃性能测试试验。

1）常规重力环境试验

包括阻燃试验和燃烧产物试验。2项试验结果均合格才能判定此种材料常规重力环境试验结果合格。

阻燃试验包括垂直燃烧、水平燃烧、45º倾斜燃烧和60º倾斜燃烧4类试验项目，前2种适用于层面类材料，后2种分别适用于几种材料组合的状态和电线/电缆类材料。

燃烧产物试验对一氧化碳、氟化氢、氯化氢、氮氧化物、二氧化硫和氰化氢6种有毒气体的含量进行测定。

2）微重力环境试验

微重力情况要求在落塔上进行试验，包括在规定温度、湿度条件下，进行21%和30%氧浓度（本文氧浓度均指氧气体积分数）的阻燃试验。

另外，对于密封舱可能经历的出舱活动环境，针对出舱过程氧浓度变化，对使用的主要非金属材料还应进行不同压力情况下的氧浓度安全试验。

3.1.2 常规重力环境试验合格标准

1）阻燃试验合格标准

① 垂直燃烧试验：12 s点火垂直燃烧试验，试验时材料必须自熄，平均烧焦长度不得超过203 mm，移去火源后的平均续燃时间不得超过15 s，试样上的滴落物在跌落后的平均续燃时间不得超过5 s。

② 水平燃烧试验：试验时材料平均火焰蔓延速率不得超过102 mm/min。

③ 45º倾斜燃烧试验：试验时材料在施加火焰时或移开火焰时，火焰均不得烧穿材料。火源移开后的平均续燃时间不得超过15 s，平均阴燃时间不得超过10 s。

④ 60º倾斜燃烧试验：试验时材料应是自熄的，平均烧焦长度不得超过76 mm，火源移开后的平均续燃时间不得超过30 s，试样上的滴落物在跌落后的平均续燃时间不得超过3 s。

2）燃烧产物试验合格标准

一氧化碳体积分数＜3.50×10-3；氟化氢体积分数＜1.00×10-4；氯化氢体积分数＜1.50×10-4；氮氧化物体积分数＜1.00×10-4；二氧化硫体积分数＜1.00 ×10-4；氰化氢体积分数＜1.50×10-4。

6种气体指标都合格才可判定此种材料此项试验检测合格。

3.1.3 微重力环境试验合格标准

试验时至少要有 3个标准尺寸试样的燃烧长度均小于15 cm，该材料才能被认为是阻燃的。同时，着火的试样不能飞溅出正在燃烧的碎片，造成火焰传播。

材料试验结果不符合阻燃合格标准，则该材料限用。

3.1.4 试验结果

选取密封舱内的典型非金属材料进行了可燃性试验。

1）常规重力环境下的阻燃试验结果表明：检测的非金属材料中，1/3为阻燃性能不合格材料，主要包括橡胶、胶粘剂、涂料及复合材料等。

2）常规重力环境下的燃烧产物试验结果表明：检测的非金属材料中，只有约1/5为燃烧产物不合格材料，包括橡胶类、涂料类材料，检测结果都是氮氧化物超标。

3）微重力环境下的阻燃试验结果表明：微重力条件下，材料阻燃性能好于地面阻燃试验中的结果。材料在微重力环境下与在地面环境下燃烧趋势相同，高氧浓度比低氧浓度下材料燃烧更剧烈，但可燃的氧浓度下限比常规重力场中大气氧浓度高。当环境中氧浓度高于50%后，微重力环境中和常规重力状态下的燃烧速率一样。

3.2 逸出有害气体试验

包括脱出一氧化碳、脱出总有机物及气味指标要求。

试验合格标准为：

1）脱出一氧化碳≤25 μg/g；

2）脱出总有机物≤100 μg/g；

3）气味指标不低于1.5级，即有气味但不强烈。

试验结果表明：舱内只有极少数材料试验结果不合格，主要是涂料类材料，表现在一氧化碳超标。

3.3 真空中材料质量损失试验

试验合格标准为被测材料总质量损失平均百分比≤1%。已完成的试验结果表明：舱内只有极少数材料试验结果不合格，主要是涂料类材料。

3.4 可凝挥发物试验

试验合格标准为被测材料可凝挥发物平均百分比≤0.1%。已完成的试验结果表明：舱内只有极少数材料试验结果不合格，主要是涂料类材料。

3.5 有害气体的封舱检测试验

所有载人航天器均应进行有害气体的封舱检测试验，来检测非金属材料对载人航天器密封舱的总体影响。

通过对载人航天器密封舱较长时间的封闭检测，可以获得舱内释放的污染气体特性和数量。封闭的舱体要求与即将发射的飞行器状态相同，包括舱内布局、设备技术状态及使用状态、非金属材料使用状态等。舱体可以非加电状态运行，最好是按照飞行任务状态加电运行。舱体封闭时间原则上应超过飞行任务时间，也可根据需要对试验数据进行推理分析。

地面设计的封舱检测试验一般利用常压条件即可；如飞行过程中有密封舱舱压不断下降的情况，则还需开展低压环境封舱检测试验。可利用地面真空容器模拟航天器在轨飞行的舱内环境，进行材料在常压和低压环境下脱出有害气体比对分析试验，从而预估脱出气体产生浓度、速率等的变化情况。

实际的试验结果表明：经过对密封舱内非金属材料的控制，封舱检测试验的结果均满足人所能耐受的航天医学指标要求。

4 结论与展望

载人航天器密封舱内环境对使用的非金属材料提出了特殊的选用和控制要求。依据本文所提出的非金属材料控制方法，确定选用范围，制定控制措施，完成控制设计，并通过试验验证筛选出合格的非金属材料，已成功应用于我国载人飞船上，保证了载人航天器密封舱内的环境满足航天员的生活和工作需要，取得了良好的效果。

展望载人航天器后续任务，还需开展如下工作：

1）载人航天器密封舱内使用的非金属材料，不可能全部满足筛选试验要求。对于试验结果不合格的材料，如何采取有效的控制措施，使其既能满足功能需求，又能满足载人环境要求，这是今后非金属材料控制的工作重点。

2）通过非金属材料试验验证，在获得的材料检测数据的基础上，应及时更新非金属材料的选用范围数据库，建立材料使用的黑名单。

3）有害气体的封舱检测试验时间受航天器地面研制周期的约束，不可能很长。如何通过有限的地面封舱检测试验数据，推断出航天器长期在轨飞行中舱内有害气体释放的情况成为必须解决的问题，即地面非金属材料加速试验方法的研究及出气模型的建立应是后续工作的重点。

（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]俄罗斯国家标准 载人航天器中航天员的居住环境（医学-工程总要求）[S], 1996

[6]关于建立载人空间飞行器乘员舱防火安全设计标准的说明报告[R], 2002