楊建樓，付玉明*，劉 紅

（1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教育部生物力學(xué)與力生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.北京航空航天大學(xué)航空航天生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)工程國(guó)際聯(lián)合研究中心：北京 100191）

0 引言

隨著人類太空探索活動(dòng)由短期任務(wù)過(guò)渡到長(zhǎng)期駐留，微生物在航天員健康、航天器適居環(huán)境可持續(xù)性和任務(wù)成功方面可發(fā)揮的作用及可能造成的影響已成為重要研究方向。其中，航天器因結(jié)構(gòu)或設(shè)備材料受到微生物腐蝕而引發(fā)故障已經(jīng)被多次報(bào)道。

空間站、宇宙飛船等載人航天器的密閉艙室因溫度適宜（約22℃）且濕度水平恒定（約60%）而有利于微生物的繁殖，且在低劑量輻射和微重力環(huán)境下，微生物的活性會(huì)得到增強(qiáng)。自人類建立第一個(gè)在軌空間站以來(lái)，就一直飽受微生物污染的困擾。在國(guó)際空間站密閉艙室中微生物無(wú)處不在；在檢測(cè)到的84 種微生物中，多種具有降解金屬材料和高分子聚合材料的腐蝕能力，且由此引發(fā)了儀器故障。在“禮炮6 號(hào)”空間站服役期間，在艙室設(shè)備表面發(fā)現(xiàn)了一層白色微生物薄膜，其主要組成為青霉屬、枝孢霉屬和曲霉屬；在“禮炮7 號(hào)”空間站服役期間，在艙室零部件的接縫處及電纜上檢測(cè)到霉菌，部分材料甚至出現(xiàn)了穿透性的微生物腐蝕。在“和平號(hào)”空間站服役期間，研究人員監(jiān)測(cè)到腐蝕性微生物對(duì)空間站的照明系統(tǒng)、電纜、密封部件、設(shè)備及材料表面造成了嚴(yán)重破壞。

我國(guó)計(jì)劃建成服役期在10 年以上的在軌空間站，進(jìn)而開(kāi)展長(zhǎng)期載人深空探測(cè)工作，因此，必須重視微生物污染問(wèn)題。目前，對(duì)于空間微生物污染的研究大多關(guān)注預(yù)防和監(jiān)控，而對(duì)已發(fā)生微生物腐蝕的設(shè)備和材料表面進(jìn)行修護(hù)的研究較少。國(guó)際空間站制定了基于空間密閉環(huán)境中微生物防控的持續(xù)監(jiān)控制度和定期清除制度，通過(guò)對(duì)艙室開(kāi)展一周一次清潔工作來(lái)降低艙室內(nèi)微生物水平。針對(duì)材料表面微生物清除的主要方式為用消毒濕巾擦拭，消毒紙巾的抑菌劑主要有效成分為雙季銨鹽抑菌劑和過(guò)氧化氫的混合物。對(duì)已發(fā)生微生物腐蝕的材料表面進(jìn)行菌斑清除，并及時(shí)進(jìn)行原位修護(hù)，防止微生物再次腐蝕，是保障航天器設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)并延長(zhǎng)其壽命的有效方法。本文針對(duì)空間站艙室材料表面腐蝕原位快速修護(hù)任務(wù)需求，提出一種在軌腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置工藝方案，并構(gòu)建出原型系統(tǒng)進(jìn)行初步驗(yàn)證。

1 腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

結(jié)合對(duì)航天器材料表面修護(hù)的功能需求，設(shè)計(jì)的修護(hù)裝置應(yīng)滿足以下要求：

1）考慮到航天員操作的簡(jiǎn)便性，裝置在使用過(guò)程中應(yīng)能實(shí)現(xiàn)單手輕松操控，不用施以強(qiáng)力，因此，裝置體積要求不大于250mm（長(zhǎng)）×100mm（寬）×200mm（高），質(zhì)量不超過(guò)1.6kg；

2）考慮到微重力環(huán)境的特殊性，微重力下裝填涂料不能以自由液體的形式流出或漏出，不能有氣泡進(jìn)入涂料管形成氣液混合（采用一次性涂料容器與噴涂刷頭作為附件，數(shù)量分別不少于10 支）；

3）在使用過(guò)程中不能出現(xiàn)修護(hù)液外漏，應(yīng)在裝置的出液口處設(shè)計(jì)一個(gè)涂抹裝置，只有推擠才能出液；

4）為達(dá)到快速修護(hù)的目的，在修護(hù)裝置上設(shè)計(jì)一個(gè)紫外烘干裝置以加速涂層材料的干燥，同時(shí)外加燈罩以避免紫外線外泄。

1.2 設(shè)計(jì)思路

修護(hù)裝置設(shè)計(jì)采用單手膠槍方式，通過(guò)扳手利用電機(jī)推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)修護(hù)液的滲出，修護(hù)液放置在可更換的預(yù)裝單向活塞的注射容器內(nèi)，不會(huì)因?yàn)榛钊昂箅p向移動(dòng)造成氣泡進(jìn)入涂料管而形成氣液混合；噴涂刷頭頭部采用吸水性好的材料，對(duì)與噴涂刷頭連接的注射器出口進(jìn)行錐形設(shè)計(jì)以保障使用過(guò)程中修護(hù)液不外漏；膠槍噴涂刷頭不用時(shí)可取下并采用密封蓋對(duì)裝置的注射容器進(jìn)行密封。

1.3 裝置構(gòu)成及基本操作流程

1.3.1裝置構(gòu)成

根據(jù)上述工藝要求和設(shè)計(jì)思路，腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置由紫外燈（固化）、紫外燈罩、直線電機(jī)、噴涂刷、噴涂器1、噴涂器2、開(kāi)關(guān)、主控模塊、電池組組成（如圖1 所示）。其中：噴涂器1 裝有3%醫(yī)用雙氧水作為化學(xué)氧化溶液，噴涂器2 裝有作者團(tuán)隊(duì)研制的水性聚氨酯抑菌涂料；電池組的輸出電壓為12V，通過(guò)開(kāi)關(guān)1 和開(kāi)關(guān)2 分別對(duì)電動(dòng)推桿1 和電動(dòng)推桿2 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿的伸出和復(fù)位；紫外燈由電池組供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)和觸點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合控制，誤觸開(kāi)關(guān)后，固化燈不會(huì)立即工作，需要紫外燈罩連通觸點(diǎn)后才會(huì)正常工作，提高了操作者的使用安全性。此外，該修護(hù)裝置的電路部分采用冷壓連接，穩(wěn)定可靠，大大提高了設(shè)備的可使用性。

圖1 腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置的基本組成Fig.1 Basic composition of the in situ repair device for repairing the microbial corroded surface material

1.3.2基本修護(hù)流程

為了保障菌斑清除后材料的修復(fù)，應(yīng)首先采用3%醫(yī)用雙氧水對(duì)菌斑清除后的材料表面刷涂清潔，然后進(jìn)行下面的操作來(lái)刷涂抑菌涂料完成整個(gè)修護(hù)過(guò)程。

1）修護(hù)液的制備和預(yù)裝

有研究表明，將幾種不同的抑菌劑復(fù)配使用，可以減少抑菌劑的用量，并且可以達(dá)到協(xié)同或互補(bǔ)作用，從而使抑菌劑更為高效，同時(shí)可以減緩耐藥性的產(chǎn)生。采用課題組前期制備的復(fù)合抑菌劑，此抑菌劑形成的抑菌涂層在接種混合孢子懸浮液培養(yǎng)28 天之后依然保持完好無(wú)微生物滋生，其中有機(jī)硅季銨鹽、脫氫乙酸鈉鹽和聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽的用量分別為0.38mg/mL、0.69mg/mL 和0.49mg/mL，這3 種抑菌劑的總用量為1.56mg/mL。按照此濃度配比，首先制備抑菌劑水溶液，將復(fù)合抑菌劑水溶液以物理?yè)交斓姆绞教砑拥剿跃郯滨ヒ志苛袭?dāng)中；之后將盛裝涂料的容器放在恒溫磁力攪拌器中，并在常溫25℃條件下攪拌均勻，吸取水性聚氨酯抑菌涂料于涂料裝填管（噴涂器2）中。將3%醫(yī)用雙氧水吸入化學(xué)氧化溶液裝填管（噴涂器1）中。

2）修護(hù)裝置的材料修護(hù)

打開(kāi)化學(xué)氧化溶液裝填管開(kāi)關(guān)，浸潤(rùn)其刷頭，手握裝置給待修護(hù)材料表面涂抹化學(xué)氧化液進(jìn)行表面清潔。然后打開(kāi)水性聚氨酯抑菌涂料裝填管開(kāi)關(guān)，浸潤(rùn)其刷頭，手握裝置給待修護(hù)材料表面涂抹抑菌涂料。在刷頭干燥后，按下出液按鈕進(jìn)行補(bǔ)液。此步處理結(jié)束后，推進(jìn)紫外燈罩，通過(guò)觸點(diǎn)打開(kāi)紫外燈開(kāi)關(guān)，對(duì)修護(hù)表面進(jìn)行紫外照射10min 以加速水性聚氨酯抑菌涂料成膜。此外，通過(guò)對(duì)比不同空間位置（上、下、側(cè)面）對(duì)修護(hù)工程的成膜效果進(jìn)行觀察，確定空間微重力下的涂刷效果。

通過(guò)上述操作可以實(shí)現(xiàn)“雙氧水預(yù)處理→抑菌涂料修護(hù)→紫外快速固化干燥”的工藝，對(duì)菌斑清除后的材料實(shí)現(xiàn)快速涂抹修護(hù)。

2 原位修護(hù)裝置載荷強(qiáng)度仿真

為了保證裝置使用過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性，在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，還需盡量減輕裝置質(zhì)量，優(yōu)化外觀，以進(jìn)一步滿足操作舒適便捷的使用需求。選取把手和中間連接板作為原位修護(hù)裝置的關(guān)鍵零件進(jìn)行力學(xué)仿真。采用ANSYS 軟件，根據(jù)零件的實(shí)際材質(zhì)，基于有限元理論將零件進(jìn)行網(wǎng)格化，可以仿真出零件的形變，輸出應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D以及位移云圖，分析原位修護(hù)裝置的載荷強(qiáng)度。

把手是原位修護(hù)裝置的主要操作部位，不僅需要承載整個(gè)裝置的重量，還需具備人機(jī)工效特點(diǎn)；考慮設(shè)備的輕便性，該把手的制備材質(zhì)為尼龍。圖2所示為把手的ANSYS 仿真結(jié)果，可見(jiàn)：應(yīng)力及應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在把手按鈕處，其中應(yīng)力最大值為1.496×10N/m，應(yīng)變最大值為1.077×10，滿足尼龍材質(zhì)的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變；此外，把手末端有最大位移量，為2.042×10mm，說(shuō)明把手形變方向變化很小，滿足使用要求。通過(guò)上述分析可知，把手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖2 把手有限元仿真結(jié)果Fig.2 FEM simulation results for the handle

中間連接板是修護(hù)裝置所有零部件的連接部件，也是設(shè)備的核心負(fù)載部件，其同樣采用尼龍材質(zhì)。仿真結(jié)果如圖3 所示：應(yīng)力及應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在連接板中間靠近把手處，其中應(yīng)力和應(yīng)變的最大值分別為4.62×10N/m2、4.272×10-7N/m，滿足該材質(zhì)的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變；此外，連接板末端有最大位移量，為6.075×10mm，滿足使用要求。通過(guò)仿真分析可知，連接板設(shè)計(jì)滿足要求，在保證強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量最小。

圖3 中間連接板仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results for connecting plate

通過(guò)上述分析可知：把手和中間連接板采用尼龍材質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)原位修護(hù)裝置使用輕便的前提下保證了載荷強(qiáng)度；該裝置設(shè)計(jì)合理，可靠性與穩(wěn)定性滿足要求。

3 地面條件下的有效性、適用性與安全性驗(yàn)證

對(duì)載人航天器艙內(nèi)材料表面的菌蝕斑可以采用“機(jī)械摩擦+負(fù)壓抽吸+有效殺滅”的方法進(jìn)行有效清除；為防止其再次發(fā)生腐蝕，還需對(duì)被腐蝕的材料表面進(jìn)行原位修護(hù)。為驗(yàn)證腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置的修護(hù)效果、適用性及安全性，制作了裝置原型樣機(jī)并開(kāi)展了地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1有效性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中采用本文1.3.2 節(jié)的修護(hù)流程對(duì)材料進(jìn)行修護(hù)，并對(duì)修護(hù)后材料的耐微生物腐蝕性能進(jìn)行測(cè)定。

根據(jù)GJB150.10A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》中霉菌試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用培養(yǎng)皿法對(duì)修護(hù)后材料進(jìn)行耐微生物腐蝕性能測(cè)試。具體方案與制備菌斑材料一致，選取黑曲霉（，來(lái)源于“天宮一號(hào)”下行材料）、多主枝孢霉（，來(lái)源于海南文昌發(fā)射場(chǎng)）和金灰青霉菌種（，來(lái)源于“月宮一號(hào)”實(shí)驗(yàn)密閉艙）作為混合菌種，在模擬空間低劑量電離輻射艙室環(huán)境下，對(duì)空間站大量使用的橡膠（1147）、硅膠（6144）與聚氨酯（FOAM-65）材料表面進(jìn)行染菌實(shí)驗(yàn)，溫度條件控制在28℃，相對(duì)濕度85%。將所有的修護(hù)后材料培養(yǎng)4 周后觀察菌斑形成情況，確認(rèn)裝置的修護(hù)效果。

3.1.2適用性驗(yàn)證

除具有修護(hù)效果外，裝置還應(yīng)具備快速修護(hù)、操作便捷安全的特點(diǎn)，能夠通過(guò)單手操作完成對(duì)背板縫隙材料的修護(hù)工作。通過(guò)在“月宮一號(hào)”密閉艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)際操作，分析測(cè)試該裝置能否滿足上述使用要求，是否具備誤操作保護(hù)功能并可快速更換涂料管與刷頭。

3.1.3安全性驗(yàn)證

裝置修護(hù)過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生紫外線泄漏和產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）給操作人員帶來(lái)潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，因此，選用光譜儀AvaSpec-2048 進(jìn)行修護(hù)裝置打開(kāi)紫外燈干燥涂料過(guò)程中的周邊光譜測(cè)定，檢測(cè)環(huán)境紫外光含量是否增加、是否發(fā)生了紫外泄漏。同時(shí)根據(jù)GB18582—2008《室內(nèi)裝飾材料內(nèi)墻涂料中有害物質(zhì)限量》確定了修護(hù)前、修護(hù)過(guò)程中空氣中VOCs 的含量，并對(duì)比GJB11A—1998《中國(guó)核潛艇艙室空氣組分容許濃度標(biāo)準(zhǔn)》確定修護(hù)過(guò)程中是否產(chǎn)生了過(guò)量的VOCs。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3.2.1有效性驗(yàn)證結(jié)果

模擬菌斑材料的修護(hù)效果如圖4(a)所示?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)修護(hù)裝置噴涂雙氧水—噴涂復(fù)合抑菌劑—紫外烘干的連續(xù)操作后，橡膠（1147）、硅膠（6144）與聚氨酯材料（FOAM-65）都表現(xiàn)出良好的抑菌效果；而未采用修護(hù)液，單獨(dú)噴涂無(wú)菌水、水性聚氨酯的上述3 種材料都再一次發(fā)生了霉菌腐蝕。通過(guò)ImageJ 圖像處理可以看到，修護(hù)后霉菌再次腐蝕面積在材料表面的占比如下：濾紙+無(wú)菌水處理組為98.20%，材料+無(wú)菌水處理組為58.52%，材料+水性聚氨酯處理組為23.47%；而材料+復(fù)合抑菌劑處理組僅為1.33%（見(jiàn)圖4(b)）。上述結(jié)果說(shuō)明裝置所采用的工藝和涂料能夠修護(hù)橡膠板、硅膠板與聚氨酯等空間站大量使用的高分子材料。

圖4 修護(hù)裝置對(duì)橡膠、硅膠、聚氨酯3 種高分子材料的修護(hù)效果Fig.4 The effect of repair device in repairing rubber,silicone and polyurethane polymer materials

3.2.2密閉艙室內(nèi)裝置的適用性驗(yàn)證結(jié)果

使用修護(hù)裝置對(duì)“月宮一號(hào)”密閉艙內(nèi)縫隙背板位置進(jìn)行了單手實(shí)際修護(hù)操作，結(jié)果表明：該裝置單手多角度操控靈活，操作保護(hù)功能有效，涂料管與噴涂刷的更換簡(jiǎn)便迅速，滿足快速修護(hù)與操作便捷安全的使用要求；裝置本身既可以由電線供電，也可由自帶的電池電池供電，有效增加了電源供給的靈活性（如圖5 所示）。實(shí)驗(yàn)中對(duì)密封艙內(nèi)壁和含有菌斑的材料表面進(jìn)行了修護(hù)，涂抹過(guò)程中頭部材料吸水性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)菌斑清除材料的快速涂抹修護(hù)（如圖6 所示），并且不同角度下無(wú)液體泄漏，保障了在微重力下使用的適用性。

圖5 裝置的操控性能驗(yàn)證Fig.5 Validation of handling performance of the device

圖6 裝置實(shí)際修護(hù)過(guò)程Fig.6 Actual repair process of the device

3.2.3安全性驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先測(cè)試了周圍環(huán)境的紫外線強(qiáng)度（波長(zhǎng)260～290nm），然后在修護(hù)過(guò)程中再測(cè)試紫外線強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用裝置進(jìn)行修護(hù)的過(guò)程中，周圍環(huán)境的紫外線強(qiáng)度沒(méi)有增加，說(shuō)明裝置在修護(hù)過(guò)程中并無(wú)紫外泄漏發(fā)生。

圖7 所示為在密閉艙內(nèi)（14m×3m×2.5m）使用修護(hù)裝置進(jìn)行操作的過(guò)程中臭氧和總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）濃度。

圖7 修護(hù)過(guò)程中臭氧和TVOC 濃度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)容許值的對(duì)比Fig.7 The concentration of Ozone and TVOC in the unit during the repair process compared with that of standard

由圖7 可以看到：1）修護(hù)過(guò)程中，臭氧濃度始終低于0.009mg/m，遠(yuǎn)低于中國(guó)和俄羅斯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中容許的臭氧濃度（0.08mg/m3[23]和0.03mg/m），且在裝置工作前后無(wú)變化，如圖7(a)所示；2）TVOC濃度在修護(hù)過(guò)程中為0.435mg/m，與修護(hù)前的濃度（0.204mg/m）相比有所增加，但遠(yuǎn)低于中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中容許的TVOC 濃度（25mg/m），如圖7(b)所示。這說(shuō)明裝置在修護(hù)過(guò)程中不會(huì)造成密閉艙室內(nèi)發(fā)生臭氧和TVOC 污染，具有良好的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從載人航天器艙內(nèi)的腐蝕材料表面菌斑清除后需進(jìn)行表面修護(hù)的潛在應(yīng)用需求以及便于航天員操作的角度出發(fā)，研制了一種腐蝕材料表面原位修護(hù)裝置，提出了裝置工藝總體方案，對(duì)裝置的載荷強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)該裝置進(jìn)行了有效性、適用性與安全性驗(yàn)證。結(jié)果表明：修護(hù)裝置對(duì)于橡膠、硅膠、聚氨酯3 種高分子材料表現(xiàn)出良好的修護(hù)和耐霉菌腐蝕效果；操作便捷安全，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)菌斑清除材料的快速涂抹修護(hù)；修護(hù)操作過(guò)程中無(wú)紫外光泄漏，無(wú)臭氧污染，TVOC 沒(méi)有超過(guò)密閉艙內(nèi)的最大允許濃度。

由于地面實(shí)驗(yàn)在某些重要方面（如微重力和輻射）與在軌飛行不同，所以目前對(duì)于載入航天艙內(nèi)腐蝕材料表面原位修復(fù)的研究仍有一定局限性。為保證我國(guó)空間站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，確立并實(shí)施合理且高效的微生物防控措施勢(shì)在必行。建議在本文的原理樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多部門聯(lián)合進(jìn)一步開(kāi)展修護(hù)裝置的優(yōu)化研究并開(kāi)展空間在軌原理樣機(jī)驗(yàn)證，以提升我國(guó)載人航天器在軌防控微生物污染與腐蝕的能力，保障航天員健康和提升空間站任務(wù)效能。