材料空间暴露试验综述

李存惠，史 亮，张剑锋，杨生胜

(1.兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000;2.兰州空间技术物理研究所，空间环境材料行为与评价技术重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

随着空间科学研究的深入和载人航天、深空探测的需要，空间环境的检测和材料的暴露试验引起了人们更多的关注和重视。通过发展航天器材料在轨暴露试验与性能监测技术，可获得航天器用典型材料性能的在轨试验数据，并对现行的材料地面模拟试验方法、试验评估数据、性能退化的分析模型等进行实际飞行试验验证，在此基础上可对材料空间环境效应的模拟试验方法及其性能退化分析模型等进行修改、补充和完善，进而推动材料空间环境防护技术和寿命预示技术的发展。本文将对暴露试验的特点、研究内容、国外几种典型的暴露试验情况以及最近几年国际空间站的试验作扼要的介绍，为我国开展此类试验提供参考。

2 暴露试验的涵义和特点

暴露试验是指把试验装置或被试样品(材料、元器件或设备)放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空间环境之中所进行的各种试验。与普通的科学实验性比，具有如下特点:1)试验样品直接处于真实的空间环境中(很少或没有任何屏蔽)，这个真实的空间环境包括了微重力、高真空、热循环、等离子体环境、辐射环境、微流星体/轨道碎片、原子氧等;2)所有的暴露试验至少进行上述环境因素中的一项或多项的影响试验，这弥补了地面模拟试验的不足;3)试验样品大多需要回收，以便研究空间环境因素带来的影响。所以，试验通常在载人航天器或可回收的航天器中进行;4)航天器必须为试验提供一个安装暴露试验装置的平台，它可以是桁架、航天器的外表面或裸露舱段等［1］。

由于空间环境恶劣，且航天器的资源有限，早期的暴露试验多数是无源的;随着航天技术水平的提高、资源的增加和科学研究的需要，有源的暴露试验越来越多。如果暴露试验被设计为长期的系列试验，试验的次序一般是由简到繁、由主动到被动、由无源到有源。

暴露试验的时间有长有短，主要取决于它搭载于那种类型的航天器。返回式卫星及航天飞机一般为1～2周;“和平”号空间站的实验为3个月;尤里卡(EURECA)是9个月;长期暴露装置(LDEF)为1年;而国际空间上的材料暴露试验(MISSE1－7)为一个系列试验，每一期的暴露时间大约为1年。

3 暴露试验的主要研究内容

国外的空间暴露试验除MISSE外大多是在上世纪末进行的，研究内容极其广泛，侧重点也有所不同，总结起来主要有以下几个方面:1)由于暴露试验处于真实的空间环境中，它是航天用材料、部件、系统性能研究最真实、最可靠的模拟方法。暴露试验主要考虑样品与环境因素的作用机理，获得样品在轨暴露试验数据，为航天器的设计、选材提供借鉴;2)空间暴露试验的开展，可积累环境效应数据并验证地面模拟试验的结果，从而不断提高地面模拟试验的准确性和完善各种相关设计规范，这对提高航天器的可靠性，降低航天器的成本很有益处;3)暴露试验代表材料学、生物学研究的一个新工具。新型的、潜在的航天用材料的空间适用性需要通过暴露试验得到验证;许多与空间有关的生物学问题(特别是辐射生物学、天体生物学和行星生物的迁移等)可通过暴露试验进行直接研究。

4 国外几种典型的暴露试验

从20世纪80年代开始，美国利用STS－5返回式卫星进行材料空间暴露试验后，各航天发达国家或独自或合作开展了多项空间暴露试验。从第一代空间环境效应监测平台LDEF开始到国际空间站(ISS)上搭载的平台，总共发射了20多种暴露平台，主要可以分为3个类型:1)材料空间暴露平台，主要研究空间环境对材料的影响，通过暴露平台研究空间环境对材料的累积和协和损伤效应，其代表性装置有LDEF和MISSE;2)在轨环境因素监测平台，主要实时探测各种空间环境因素，其代表性装置有MEDET和JEM;3)在轨空间环境综合测试平台，可同时研究空间环境效应及其与材料相互作用的机制，其代表性装置有OPM。

4.1 美国的大型长期暴露试验装置(LDEF)

20世纪80年代，NASA的长期暴露试验装置(Long Duration Exposure Facility，LDEF)及其飞行是目前为止持续时间最长的暴露试验。经过约10年的准备、设计、研制和各种试验，LDEF于1984年4月7日由挑战者号航天飞机(STS－41C)送入高400 km、倾角为28.4°的近圆地球轨道，原计划于1985年通过STS－51D飞行实施回收，后因故推迟。1986年“挑战者”号航天飞机发射时爆炸，致使回收再次推迟。直到1990年1月11日才由“哥伦比亚”号航天飞机回收，在轨停留了5.7年(69个月)，经历了半个太阳活动周期(入轨时处于太阳活动最小，回收时位于太阳活动最大)，绕地球32 422圈。

LDEF的结构呈棱柱形(见图1和图2)，它的横切面是正十二边形，整体宽4.27 m，长9.14 m，暴露面积130 m2，起飞时质量为9 724 kg。在其周向的12个平表面(72个)和2个端面(14个)分布着86个试验盒，共进行57项试验。LDEF采用重力梯度维持在轨的三轴稳定，在轨运行期间不存在因发动机工作产生的加速力和射流污染的影响［2］。

LDEF飞行任务的目的是提供关于空间环境及其对空间系统、元部件和材料效应的长期数据。试验内容涵盖:1)空间环境下材料性质随时间的变化试验，航天用的光学、热、机械、电及其他材料的暴露样品达10 000多种，包括金属、聚合物、复合材料、陶瓷、玻璃、镀银teflon、热控材料、粘结剂、密封和润滑材料等;2)航天系统(机械、热、电和光学系统)的性能试验(20项);3)航天器能源系统元器件的评价试验;4)空间辐射及辐射剂量学试验(其中电离辐射试验13项);5)空间生物学，辐射生物学试验;6)空间物理及有关领域的科学研究等。

图1 长期暴露装置(LDEF)的示意图

图2 长期暴露装置(LDEF)的实物图

4.2 国际空间站上的暴露试验 (MISSE1－7)

国际空间站材料试验(Materials International Space Station Experiments，MISSE)是一个系列飞行试验，使用被动暴露试验箱(PECs)将材料暴露于国际空间站(ISS)外的真实空间环境。PECs在航天飞机中时，样品面板面对面闭合，通过航天员舱外活动(EVA)打开并安装在ISS外面(如图3和图4所示)。MISSE1－2于2001年安装于国际空间站上，暴露将近4年后回收;MISSE3－4于2006年8月安装在国际空间站的气闸舱上，暴露1年后回收。MISSE1－4为被动试验，主要考察材料的原子氧效应、太阳辐射效应以及原子氧和太阳辐射的协和效应等。MISSE5于2005年8月被安装在P6桁架段上，暴露1年后回收。MISSE5包含2个主动试验和1个被动试验:先进技术太阳能电池阵试验(FTSCE)是一个主动试验，试验测试了36个现用和未来航天器用太阳能电池的性能;第二个主动试验测试通讯卫星系统样机的通讯系统，以及通讯中非定制遥控指令和控制的解决办法;被动试验是热控层材料暴露试验，包括几个不同的试验项目用来测量200种材料在空间环境中的退化机理。MISSE6和MISSE7试验箱与先前的不同，大部分试验是主动试验，MISSE6的主动试验由空间站提供电源，数据贮存到数据记录器中，试验回收时可用。MISSE 6中有6项主动试验和6项被动试验，共168个样品集成到MISSE6的2个PEC(6A和6B)中，于2008年3月置于哥伦布试验舱外，于2009年9月回收。MISSE7将由ISS提供电源并与ISS具有通讯连接，主动数据每天通过遥感技术回收。包括3个主动和6个被动试验，共120个样品集成到PEC7。MISSE6、7试验包含了空间探测任务相关的材料比如:航天服织物、聚合物热控防护层、太阳阵防护材料、“O”型密封材料、灰尘减缓材料等［3～5］。

图3 宇航员打开ISS上被动试验箱

图4 MISSE－2“迎风”面

NASA已在MISSE中对数以千计的样品进行了飞行试验，其中包括化合物、传感器、机械活动件、聚合物、温控材料、生物材料和元器件。目的是对航天用材料在LEO轨道的环境耐久性进行测试，并对潜在的新型航天材料作真实的空间暴露试验，从而验证这些材料的可用性。MISSE致力于原子氧效应研究，包括聚合物侵蚀、原子氧散射、压力对原子氧侵蚀的影响、原子氧通量原位检测。该系列试验同时也对太阳辐射效应进行检测，包括辐射诱发聚合物收缩、压力对辐射致聚合物降级的影响以及辐射对氧化铟锡(ITO)涂层和航天服织物的影响。还有一些附带试验，包括对原子氧和太阳紫外辐射对热控薄膜、涂层和金属、陶瓷覆层的综合影响进行考察。猎户座飞船密封材料和高压太阳能电池阵材料也进行了搭载和试验。同时NASA还在MISSE中设计了一些飞行试验来对地面空间环境效应模拟设备进行校正，提高地面模拟试验的准确性。

4.3 和平号轨道站的光学特性监视仪(OPM)

NASA的马歇尔空间飞行中心(MSFC)为了研究材料空间环境的长期效应(自然或诱发的)，在俄罗斯的和平号空间站上搭载了光学特性监测仪器(OPM)，它同时也可监测环境效应诱发材料出气引起的分子污染。OPM的光学特性监测器把样品分布在一个圆盘上做暴露试验，每个样品被旋转至若干个测量仪器的检测路径上，以进行光学特性的评价。原位测量子系统可以测量光、热特性:光谱总半球反射比、总的积分散射率(TIS)、真空紫外线辐射(VUV)反射率/辐射能量透入率、总辐射率;环境监测器可测量样品所遭受空间环境的几种成分(日/地光线、分子污染物、原子氧);材料光、热性能的细微变化、表面退化效应、污染效应会在飞行后的分析中确定。OPM的主要部件有:1)反射计子系统;2)总积分散射(TIS)子系统;3)真空紫外分光光度计子系统;4)辐射剂量率监测子系统;5)TQCM子系统;6)原子氧监测子系统。该试验装置于1997年1月送上 MIR，1998年 1月回收，有效工作时间为8个月［6，7］。

根据当时的飞行任务，OPM的主要目的有:

(1)测定MIR舱空间环境对材料的影响及其损伤机理

Mir舱是当时仅有的研究在延伸期中围绕巨大空间平台的环境和它对材料与系统影响的装置。Mir舱的高倾斜轨道提供与长期观察任务(如长期辐照设备)不同的混合环境要素。OPM任务为研究这种环境效应提供了机会。暴露装置将测定空间环境对光、热控制，能源系统材料，操作系统的影响。测试材料的原位光学特性测量需要将测试材料重新调整到地面环境以测定空间环境的堆积效应。

(2)提供飞船和光学材料的飞行试验

重要的材料被要求在围绕巨大的空间平台的环境下运作。国际空间站(ISS)仪表装置和其他未来任务的候选材料被暴露到Mir空间站环境下并通过飞行前(原位)、飞行后的性能测试，掌握辐照效果。

(3)为校验地面测试设备和预示模型提供数据

所有航天用的候选材料都不能在完成任务期间、在被使用的位置进行飞行测试。地面基础测试和寿命预言模型是保持空间系统设计和任务计划的基础。这些测试和模型需要随飞行试验的数据定期进行标定和更新。OPM将提供定期的材料光学性能方面飞行试验的数据，并将作为地面测试期间的参考。

(4)发展并试验一种多功能的、可重复使用的飞行仪器，用来在线研究材料的空间环境性能其装置示意图如图5所示;在Mir上的位置示意图如图6所示;装置外观图如图7所示。

图5 OPM示意图

图6 OPM在和平号轨道站上的位置

图7 OPM装置外观图

5 结束语

材料在LEO环境作用下的性能变化是影响航天器功能和寿命的主要因素之一。航天器有效载荷(如太阳能电池板、光学仪器、热控系统等)上使用的空间材料在空间环境作用下，其性能会产生衰减甚至失效，从而降低航天器的使用寿命和可靠性。材料暴露试验主要是研制一种适合空间搭载的在轨飞行试验装置，根据不同的任务需求，可在轨实时测量材料太阳紫外辐照、原子氧(AO)、污染、空间辐射、空间碎片/宇宙尘埃等效应。从国外暴露试验的研究内容来看，原子氧、紫外辐射、空间碎片为LEO最关注的热点问题，由于空间站上搭载了大量的光学设备，污染效应也是一个关注的热点;单纯地进行材料在轨暴露试验已经被在轨原位空间环境效应探测所取代。我国在未来进行在轨材料环境试验时，可在材料暴露装置上搭载一些技术较为成熟的监测仪获得在轨数据，如石英晶体微量天平(QCM)等［8］。

暴露试验是空间科学试验研究和空间探测的重要组成部分。无论是过去还是现在，世界上的航天大国对此都很重视，他们利用各种航天器进行了暴露平台的搭载，开展了大量的研究。开展此类搭载试验费用高、机会少，可利用的资源有限。尽管我国已有返回式卫星、神州号载人飞船，但我国未加入到国际空间站这项巨大的空间工程中，没有长期的暴露试验平台。现在我国已启动了自己的空间站计划，利用空间站提供的独一无二的低地轨道平台开展材料暴露试验，既可以为我国航天器设计工程材料选用提供技术指标，完善空间应用材料和元器件的筛选方法及其评价试验技术体系，打破空间大国的技术垄断格局，也可以利用空间飞行暴露试验取得的材料与空间环境作用的第一手数据，为材料的发展和改进提供方向。

［1］吴汉基，蒋远大，张志远，等.空间暴露试验［J］.航天应用，2008，4:39 ～44.

［2］FUNK J G.，STRICKLAND J W，DAVIS J M.Materials and Processes Technical Information System(MAPTIS)LDEF materials data base［R］.NASA CP－3194，1993:1201 ～1222.

［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.

［7］TRIBBLE A C，LUKINS R W，et al.Low Earth orbit thermal control coatings exposure flight tests:A comparison of U.S.and Russian results［R］.Hampton:Langley Research Center，NASA－CR－4647，1995:1 ～55.

［8］冯杰，王先荣，王鹢，等.一种月尘颗粒电荷质量比原位监测方法［J］.真空与低温，2010，16(3):138～141.