基本介紹
- 中文名：太空飛行器表面材料
- 外文名：Spacecraft surface materials
- 類型：鎳基合金、鈹板以及石英纖維等
- 特點：耐高溫、隔熱及抗輻射等
- 一級學科：航天科技
- 二級學科：太空飛行器
鎳基耐熱合金,空間環境對太空飛行器表面材料的影響,機構損傷,化學損傷,
鎳基耐熱合金
隨著科學技術的高速發展，對高溫合金提出越來越高的要求，為了滿足太空飛行器表面材料的性能要求，發展了鎳基耐熱合金等高溫合金材料。鎳基高溫合金的含鎳量超過50%，其合金化特點與金屬間化合物強化相的鐵基合金非常類似。
鎳基合金的熱強性很高，其鍛軋加工相當困難，而且鑄態的使用性能比鍛態還好，特別是鑄態合金可以加入更多的產生強化相的元素（如Ti、Al），而無需擔心熱加工的困難。因此，高溫工作的鎳基合金大多採用鑄造生產。如果採用特殊的結晶技術，控制晶粒的形狀、取向和尺寸（例如利用定向結晶技術），則鎳基合金熱強性可進一步提高。工作溫度高的鎳基合金就是採用控制結晶技術來鑄造的。
空間環境對太空飛行器表面材料的影響
機構損傷
造成太空飛行器表面機械損傷的是天然的流星體和人為的空間碎片。流星體相對於太空飛行器的平均速度為20km/s，空間碎片的相對速度為11km/s左右，如此高的速度使它們具有極高的能量，每1g流星體平均具有的能量為2×10J，空間碎片具有6×10J。在它們與太空飛行器相撞的瞬間形成壓力很高的衝擊波，其壓力超過表面材料的強度，使撞擊點附近的物質像流體一樣流動；隨後的壓力釋放過程又使撞擊的和被撞擊的物質加熱，溫度升高到足以使物質熔化和蒸發。其結果是在太空飛行器表面留下撞擊坑或形成穿孔。
流星體的數量隨其質量的增加而迅速減少，大的流星體會造成災難性後果，但碰撞機率比較低；小的流星體（常稱為微流星體）碰撞機率很高，它們的單次碰撞雖然只會形成很小的撞擊坑，不會造成嚴重的後果。小流星體因為其數量很大，大量的小撞擊坑會改變太空飛行器表面材料的性質，稱為“沙蝕”，特別是光學系統的表面（如透鏡、反射鏡面等）會因此而無法成像；有特殊要求的溫控塗層也會因輻射特性改變而不能實現設計的要求。
化學損傷
對太空飛行器表面的化學損傷主要來自高層大氣中的氧原子。氧原子是一種強氧化劑，具有很強的腐蝕作用，太空飛行器高速度在其中運動，相當於將太空飛行器浸泡於高溫的氧原子氣體中（60000K），其表面將被強烈腐蝕，對需要長期在低軌道上運行和工作的太空飛行器，例如空間站，這種腐蝕效應是十分嚴重的。高速氧原子和表面材料相互作用的物理化學過程是很複雜和多樣的，不同的太空飛行器表面材料該過程也很不一樣。它和聚合物、碳等作用形成揮發性的氧化物；和銀相互作用生成不粘合的氧化物，造成表面被逐漸剝蝕；和鋁、矽等材料相互作用形成粘合的氧化物，附著在太空飛行器表面，將改變太空飛行器表面的光學特性（發射係數、吸收係數、反射係數等）和力學特性。
