航天服材料的静电吸附效应地面试验研究

路子威，季启政，唐 旭，冯 娜，韩炎晖，梅 飞，李振阳

（1. 中国空间技术研究院 通信与导航卫星总体部，北京 100094； 2. 陆军工程大学，石家庄 050003；3. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094； 4. 北京东方计量测试研究所，北京 100086）

0 引言

暴露在空间环境下的空间站结构体与空间等离子体相互作用会导致结构体产生-100 V 左右的电位。空间站航天员在出舱活动时，航天服表面的阳极氧化材料会由感应带电形成低电位，在航天服与空间站表面间形成电场。同时，由于空间站发动机尾流、材料出气等会向周围释放各种空间尘粒等污染物，这些污染物粒子在等离子体作用下带负电，在电场力作用下会吸附到航天服表面，产生空间尘粒污染的静电增强吸附效应问题。这种附着在航天服上的污染物不仅会对航天服本身造成损伤，如果随航天服进入空间站内，还会对航天员的健康及空间站内部仪器设备的安全运行造成威胁。

本文首先分析了空间站-航天服静电起电模型及带电尘粒在电场作用下的静电吸附机理；然后利用所研制的静电吸附效应地面模拟试验装置对4 种典型航天服材料开展静电吸附效应模拟试验与验证；最后基于本文试验结果提出降低尘粒污染增强效应危害的建议。

1 航天服静电吸附机理

1.1 空间站-航天服静电电场

空间站在轨运行时，空间站结构与等离子体发生相互作用，使结构体带悬浮电位。此外，空间站在电离层等离子体环境快速运动过程中切割地球磁场也会产生感应电位。如图1 所示，空间站相对空间等离子体环境电位产生结构悬浮电位，典型值约为-120 V。

图1 航天员自主出舱时形成的静电场Fig. 1 The electrostatic field formed during astronaut’s autonomous extra-vehicular activity

当航天员为自主出舱模式时，航天服对空间等离子体环境的电容很小，会在空间等离子体作用下很短的时间内与等离子体环境达到电位平衡，航天服对等离子体环境的电位约为-1～-2 V。空间站-航天服之间电位差（-）形成的电场对空间中荷电的尘埃粒子产生静电吸引作用，将尘埃粒子吸附到航天服上。

1.2 带电尘粒在电场作用下的静电吸附过程

空间环境中的尘埃颗粒可视为等离子体环境下运动的非偏置固体，在太阳平静期，由于低地球轨道环境的电子平均速度远大于离子平均速度，到达尘埃粒子表面的电子数目将大于离子数目，所以在电子与离子的作用下并且电位动态平衡时，粒子的表面电位将达到一个稳定负电值，在电场作用下粒子会沉积在阳极板上。航天服（-1～-2 V）电位高于空间站（-120 V）电位，因此航天服作为阳极是尘埃颗粒积累的主要位置。

带电的尘粒在电场力的作用下驱向并到达航天服表面后，交出所带电荷并形成污染沉积（如图2 所示），此为尘埃粒子在航天服上的吸附过程。吸附过程的主要作用力为库仑力，尘粒距离吸附表面很近且表面为金属材料时库仑力可近似表示为

图2 带电粒子受库仑力吸附的过程Fig. 2 The process of charged particle adsorped by Coulomb force

式中：为常数（9.0×10N·m/C）；为尘粒上的电荷；为尘粒的直径。库仑力与平衡电荷和尘粒直径相关。

对于图2 所示情形，当粒子所带电荷为，表面带有极性相反的电荷时，沉积在表面上的粒子总数为

式中：为沉积粒子总数；为空间中的粒子数密度，m；为每个粒子所带电荷，C；为表面电场强度，V·m；为粒子的机械导纳，m·N·s；为电荷均匀分布的表面面积，m；为时间，s。

值得注意的是并不需要航天服表面和粒子都带电才能发生吸附现象。在航天服表面呈电中性的情况下，带电尘粒通过电场的静电感应，能够使航天服表面介质材料发生极化效应，即航天服表面的聚合物分子发生取向极化，在带电尘粒附近的航天服表面及其周边区域聚集与粒子电性相反的电荷，从而在库仑力作用下，带电尘粒发生吸附。这一吸附过程如图3 所示。

图3 带电尘粒诱导表面带电并吸附至表面的过程Fig. 3 The process of charged dust particle inducing surface charging and being adsorbed to the surface

一般空间带电尘粒处在=1 和=10 间的状态。图中=1、=100 V/cm 的曲线和=10、=100 V/cm 的曲线的中间部分，能体现空间站航天员出舱作业时与空间站触摸、分离过程的典型电场及粒子带电情况，即在100 V/cm 的电场强度下，粒径为0.01～0.1 μm 的粒子以0.1～10 cm/s 的速率沉积，粒径为0.1～10 μm 的粒子以0.01～0.1 cm/s 的速率沉积。

2 静电吸附效应地面模拟试验

空间站在轨运行时，一般会安装电位控制器减弱航天器的整体带电情况，使得航天服-空间站间静电电场场强较低。但由于大多数尘埃粒子在空间中都会在等离子体作用下带负电，很少存在不带电情况，所以势必会发生向航天服的吸附效应。

图4 显示了几种典型带电状态下表面污染粒子沉积速率与粒径的关系，其中描述的是粒子电荷的Boltzmann平衡分布状态：=0 为粒子不带电状态；=1 为暴露于双极空气离子云中粒子的电荷状态；=10 为洁净环境气溶胶最可能的电荷状态。

图4 几种典型带电状态下表面污染粒子沉积速率与粒径的关系Fig. 4 The relationship between radius of typical charged particles and deposition rate of surface pollution particles

2.1 试验设备

为验证在空间低轨等离子体环境中电子俘获带电的航天服材料与空间站结构体形成电场后，带电的尘埃粒子在电场作用下的静电增强吸附效应，研制了静电吸附效应模拟装置（如图5 所示）。

图5 静电吸附效应模拟装置示意Fig. 5 Schematic diagram of the simulator facility for electrostatic adsorption effect

静电吸附效应模拟装置由真空室、真空系统、平移台和测量装置组成。真空室为前开门，前门和真空室侧壁设有观察窗，底部设有真空抽气口；顶部安装电子枪，电子枪发射的电子束照射航天服材料，能模拟低地球轨道电子对材料的荷电作用。由于尘埃粒子的荷电和试验测试模拟条件复杂，测试需使用接触测试方法，并破坏被测对象的带电情况，所以在本试验装置中没有使用尘埃粒子实物作为试验样品，而是在真空室内安装静电球，通过在静电球上施加静电压形成高压电场，模拟尘粒带电时的电场情况。平移台可带样品台在电离工位（电子枪位置）、静电电压测量工位（探头位置）和物理现象观察工位（静电球位置）3 个工位之间移动。试验进行时，样品台上放置被测样品，利用电子枪先对样品荷电，然后使用平移台将材料样品移动至静电球位置下，能初步定性观察带电材料与带电球间的作用关系，并定量描述航天服保持电子能力（荷电效率）。

2.2 试验材料

选择镀ITO 的Kapton 薄膜、双面镀铝Kapton薄膜、无纺布、涤纶网4 种材料模拟航天服的表面情况。镀ITO 的Kapton 薄膜用来模拟航天服的面罩材料；双面镀铝Kapton 薄膜用来模拟航天服的连接关节（包括手环、臂环等）金属表面等部分；无纺布用来模拟航天服表面的主体织物表面材料；涤纶网用来模拟航天服表面的聚酯材料。4 种材料基本覆盖了航天服表面的主要材料。

2.3 试验过程

对上述4 种航天服表面材料模拟样品按图6所示流程开展静电吸附效应模拟试验。试验中的极限真空度可达1.0×10Pa。

图6 静电吸附效应地面试验流程Fig. 6 Flowchart of ground test of electrostatic adsorption effect

测试时在静电球上加直流高压形成电场，每种材料都能在静电吸附作用下克服重力作用，吸附到静电球上，如图7 所示。

图7 4 种材料的静电吸附效应Fig. 7 Electrostatic adsorption effect of four kinds of materials

2.4 试验结果及分析

表1 材料的试验实测数据Table 1 Test data of materials

表2 材料的电子枪荷电效率分析Table 2 Analysis of charging efficiency of material by electron gun injection

分析表中试验数据可知：1）材料在低地球轨道等离子体环境中有明显的带电现象，并且由带电导致的静电吸附力足以克服物质的重力，使材料吸附到静电球上；2）在模拟装置的电子枪辐照条件下，电子枪发射的电子并不能全部被收集到材料上，究其原因，一方面是高能量的电子能够穿透材料使得材料带电量低于理论值，另一方面荷电材料上的电子在真空环境下能发生沿面闪络放电而消散的情况而导致荷电量下降；3）比较4 种材料的保持荷电电子能力（荷电效率），无纺布最好，双面镀铝Kapton薄膜最差，这是因为无纺布的质量最大、厚度较厚且为非静电导体材料，而双面镀铝的Kapton 薄膜质量最低、厚度较薄且为静电导体材料。但也可以看出一个普遍存在的情况，即不论材料保持荷电的能力如何，材料在荷电后受到的静电吸附力都能克服重力，吸附至静电球。考虑到空间中的失重条件，尘埃粒子不必在几千甚至上万的静电电位条件，只需在千伏、百伏量级的静电电位下，就足以产生较强的静电吸附作用而吸附到航天服表面。

3 结论与建议

上述分析和试验表明，航天服表面各模拟材料都会对空间中的尘埃粒子产生静电吸附效应。航天服的主体材料——航天服织物表面荷电效率可达33%，具有较强的保持带电能力，在带电尘粒环境下对尘埃粒子的静电吸附力较强，粒子能吸附在表面不易脱落，有明显的吸附现象；航天服表面的聚酯材料、面罩的荷电效率可达5%，也有一定的静电保持能力，可吸附带电尘埃粒子；金属表面的荷电效率最低，约为2%，但试验现象表明，金属材料也具有静电吸附效应，也能发生一定的静电吸附现象。

目前我国已完成空间站的发射，已有航天员在空间站长期驻留并进行出舱作业，将来随着出舱作业的时间和频次的增加，航天服必将面临空间尘粒污染的静电吸附增强效应问题，为此，本文提出如下建议：

1）基于航天服上存在污染物颗粒附着污染的问题，在空间站的气闸舱内设计针对相关污染物的清除装置，特别是针对污染物颗粒在服装表面的静电吸附增强效应，应设计静电消除装置，使污染物颗粒更易于从服装表面脱除。

2）采取必要措施对航天服表面，特别是航天服主体材料的织物及聚酯材料表面进行处理，减弱或消除其静电吸附增强效应，使污染物更易从服装表面脱除，并通过后续对脱尘的收集、清除实现保持航天服洁净的目的。