瞿立建

太空沒(méi)有水，空氣稀薄到幾乎沒(méi)有的程度，在太空邀游的航天器的“皮膚”是不是可以保持素顏了？不再像在地球上那樣，不“化妝”就會(huì)失去“高顏值”，銹跡斑斑？

還真不是這樣，太空環(huán)境對(duì)航天器“臉面”的傷害還是很殘酷的。舉例來(lái)說(shuō)，“和平”號(hào)空間站是前蘇聯(lián)建立的一個(gè)軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸了俄羅斯），它是人類(lèi)首個(gè)可長(zhǎng)期居住的空間研究中心，在長(zhǎng)達(dá)15年的在軌時(shí)間里，“和平”號(hào)共發(fā)生近2000處故障，70%的外體遭到腐蝕，俄羅斯政府無(wú)力承擔(dān)巨額的維修費(fèi)用，在2001年3月20日不得不將其墜毀。

那么，太空中有哪些因素會(huì)對(duì)航天器造成腐蝕呢？

原子氧

氧主要有三種存在形式。我們呼吸的氧氣分子由兩個(gè)氧原子組成。地球大氣的平流層里，三個(gè)氧原子結(jié)成一伙，組成臭氧分子。在地球高層大氣中（距地面200千米～700千米高處），空氣非常稀薄，氣壓約為地面氣壓的十億分之一，但是這里仍然是有空氣的，這里成雙配對(duì)的氧氣分子被太陽(yáng)的紫外光拆散成形單影只的氧原子，稱(chēng)為原子氧。

原子氧具有極強(qiáng)的氧化性，可與空間飛行器的表面材料反應(yīng)，將材料氧化，基本上能被氧化的材料都無(wú)法逃脫原子氧的毒手。如果航天器軌道比較低，情況更是雪上加霜，航天器將會(huì)受到原子氧和氧氣分子的雙重腐蝕。

航天器與原子氧和其他氣體進(jìn)行相互作用，會(huì)產(chǎn)生明亮的橙色輝光。這個(gè)現(xiàn)象最早是1982年宇航員在自己乘坐的航天飛機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。

原子氧對(duì)金屬表面的腐蝕還不是太令人擔(dān)心，因?yàn)闀?huì)在金屬表面形成一層氧化層，可以阻止進(jìn)一步的氧化。但金屬銀例外，因?yàn)檠趸y會(huì)剝落。最麻煩的是有機(jī)高分子材料?，F(xiàn)在一般采取的方法是給高分子材料加一層“金鐘罩”，即施加幾百納米厚的保護(hù)涂層。比如涂層可以是金、鍺、硅，這些物質(zhì)反應(yīng)活性低，對(duì)氧的撩撥無(wú)動(dòng)于衷。還可以給航天器涂一層二氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫。

這些物質(zhì)已經(jīng)是氧化物了，原子氧無(wú)隙可入。

電磁輻射

電磁輻射就是電磁波。我們對(duì)電磁輻射非常熟悉了，手機(jī)通話(huà)上網(wǎng)、觀(guān)看電視，靠的是電磁輻射中的無(wú)線(xiàn)電波。我們能看到五彩斑斕的世界，也是靠電磁輻射中的可見(jiàn)光。我們拍胸片、照CT檢查身體，靠的是電磁輻射中的X光。家里廚房的微波爐用電磁輻射中的微波加熱食物。炎炎夏日，出門(mén)要涂抹防曬霜，主要就是防太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)。非接觸式體溫計(jì)利用的是身體發(fā)出的紅外線(xiàn)測(cè)體溫。原子核裂變還會(huì)放出伽馬射線(xiàn)……

地球上的大氣使我們免于太陽(yáng)輻射中的絕大部分高能射線(xiàn)的危害，而大氣層之外的航天器則要正面對(duì)抗全部的太陽(yáng)輻射。

太空中的電磁輻射中即使是低能量的紅外線(xiàn)，如果光強(qiáng)度比較大，也可能腐蝕航天器。如果紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)等照射到航天器表面，會(huì)使航天器材料的原子里的電子跑出來(lái)，這就是光電效應(yīng)。原子被電離以后，更容易與氧反應(yīng)，這樣便加速了材料腐蝕。X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)甚至能使原子失去內(nèi)層電子，這樣外層電子要躍遷到內(nèi)層彌補(bǔ)空位，同時(shí)釋放X射線(xiàn)或伽馬射線(xiàn)，釋放的射線(xiàn)與周?chē)镔|(zhì)再次進(jìn)行相互作用，又引發(fā)光電效應(yīng)。比較起來(lái)，紫外線(xiàn)使材料傷在表面，X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)使材料傷在內(nèi)部，但是表面的傷會(huì)給氧進(jìn)一步傷害材料提供了可乘之機(jī)。因此，紫外線(xiàn)使材料的腐蝕更嚴(yán)重。X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)給材料帶來(lái)的內(nèi)傷，會(huì)使材料晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，因此X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)可能傷害航天器的電子器件，因?yàn)殡娮悠骷l(fā)揮功能依賴(lài)于半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)。

輻射還可以使航天器溫控涂料退化，給航天器和航天員帶來(lái)嚴(yán)重的安全威脅。減弱輻射對(duì)航天器表面腐蝕最直接的方法就是給航天器表面施加光學(xué)多層膜涂層。

微流星體和太空垃圾

微流星體是太空中非常小的流星體，質(zhì)量在1克左右，平均速度約為20千米/秒。太空垃圾是在繞地球軌道上運(yùn)行、但不具備任何用途的各種人造物體。這些物體小到固態(tài)火箭的燃燒殘?jiān)?，大到在發(fā)射后被遺棄的多級(jí)火箭、廢棄的衛(wèi)星等，平均速度約為9千米/秒。

微流星體和太空垃圾撞在航天器上，可以使航天器表面坑坑洼洼，像青春痘印，不僅降低了航天器的“顏值”，還會(huì)給原子氧腐蝕航天器提供了可乘之機(jī)。微流星體和太空垃圾如果正好碰上電線(xiàn)、電纜、壓力容器，有可能造成嚴(yán)重的安全事故，也會(huì)給進(jìn)行太空行走的宇航員帶來(lái)生命威脅。

“反腐”不斷努力中

自航天飛機(jī)第一次飛行以來(lái)，航天科技界就認(rèn)識(shí)到太空“防腐”的重要性，經(jīng)過(guò)幾十年的探索，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)太空腐蝕有了深刻的認(rèn)識(shí)，可以定量化研究原子氧對(duì)材料的腐蝕，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出防原子氧腐蝕的涂層，并可以在地面上進(jìn)行原子氧腐蝕的地面實(shí)驗(yàn)研究，有預(yù)言原子氧腐蝕的成熟的數(shù)學(xué)物理模型。但是，輻射及其與其他因素的協(xié)同效應(yīng)對(duì)航天器表面材料腐蝕的影響，現(xiàn)在還沒(méi)有成熟的研究。另外，對(duì)航天器材料的一個(gè)重要且艱難的研究是預(yù)言材料的耐久性，尤其是長(zhǎng)期耐輻射性，需要新的頭腦加入其中，貢獻(xiàn)力量，使航天飛行更安全、更經(jīng)濟(jì)。同學(xué)們，你們會(huì)加入進(jìn)來(lái)嗎？

責(zé)任編輯：陸艷 責(zé)任校對(duì)：夏越endprint