航天器空间环境协和效应研究

邱家稳 沈自才 肖林

（1 中国空间技术研究院，北京 100094）（2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）（3中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

航天器在轨运行期间所面临的空间环境包括真空、低温与冷黑、带电粒子辐射、太阳电磁辐射、空间碎片、微流星体和原子氧等［1-2］。这些空间环境对航天器的敏感材料和器件带来严峻的挑战，可导致其性能退化甚至失效，严重影响其在轨可靠性及寿命。近年来，针对单一因素环境效应的地面模拟试验研究，人们开展了大量的工作，但试验结果与空间飞行数据并不完全吻合。这是因为多种环境因素组合产生了与地面试验单一因素不同的新的协和效应。因此，要对航天器在轨时的空间多因素环境协和效应进行研究，以指导航天器敏感材料与器件的空间环境效应地面模拟试验，并对航天器空间环境故障分析提供指导。目前，如何对空间多因素环境协和效应进行准确评价 以及如何调控与利用空间环境 已成为未来长寿命航天器建造的制约性环节之一。在航天器材料与器件的设计、研制与选用过程中，要充分考虑空间多因素环境协和效应对其性能的影响，进而在地面模拟试验过程中加强环境协和效应试验方法、退化机理、预示方法与防护措施的研究，以更好地提高航天器在轨的可靠性，满足新一代航天任务与航天器长寿命的要求。

本文在对空间环境协和效应研究必要性进行梳理和分析的基础上，对航天器舱内外环境协和效应进行了分析。

2 空间环境协和效应

航天器在轨运行期间所处的空间环境是复杂的，这些环境不仅单独对航天器敏感材料与器件产生作用；还可能诱发次生环境，如有的环境对航天器的作用可能引发另一个环境对航天器的效应，有的环境可能对其他环境产生的效应具有增强作用，有的则有减弱作用。不同空间环境因素协和效应关系见表1。从空间环境是多因素环境，不同空间环境及效应是相互关联的，以及提高地面模拟试验和故障分析的有效性等角度分析可知，单独研究某一种环境对航天器的影响，可能出现研究不充分、效应误差较大等问题，因此，有必要进一步加强空间多因素环境对航天器性能退化协和效应的研究。下文将从航天器舱外和舱内两个方面对空间环境协和效应进行分析。

表1 不同空间环境因素协和效应关系Table 1 Synergistic effect between various space environments

2．1 航天器舱外环境协和效应

2．1．1 空间环境间协和效应

1）带电粒子辐射与太阳电磁辐射的协和效应

航天器在轨运行期间 其外露材料遭受的环境辐射不但包括带电粒子辐射（主要是电子和质子），还包括太阳电磁辐射（主要是紫外线）。在这些环境综合作用下，表层热控材料和光学器件，特别是有机热控涂层，其性能将出现较大的退化乃至失效。这是因为：带电粒子辐射不但可能破坏有机材料的化学键，而且可引起材料内部发生电离效应或位移效应；而紫外辐射可造成化学键断裂乃至电离，引起带电粒子辐射损伤的加剧或损伤的修复。

冯伟泉等［3］对S781白漆、SR107-ZK 白 漆、F46镀银、光学表面反射镜（OSR）二次表面镜、ACR-1导电白漆等在空间电子、质子和近紫外辐射环境下的协和效应进行了地面模拟试验研究，研究结果与我国东方红二号卫星热控涂层的飞行试验结果非常接近。这说明对航天器外露材料采用综合辐射研究比单因素辐射研究，更能真实反应航天器在轨的实际情况。

2）原子氧与紫外辐射的协和效应

在200～700km 的低地球轨道上，同时存在原子氧环境和紫外辐射环境。大量飞行试验和地面模拟试验结果表明，原子氧和紫外辐射环境是造成低地球轨道航天器表面退化的主要原因［4］。原子氧环境与紫外辐射环境对航天器表面材料的协和作用机理较复杂。一方面，原子氧对紫外辐射效应具有“漂白”作用。紫外辐射可导致航天器表面材料（如温控白漆）颜色加深甚至黑化，使太阳吸收率增加；原子氧环境则对紫外产生的温控漆退化产生“漂白”作用，使其光学性能有某种程度的恢复。另一方面，紫外辐射对原子氧侵蚀效应具有“促进”作用。例如：原子氧和紫外的协和效应会加剧某些温控漆表面剥蚀，表现为相互加强的作用，这是因为紫外辐射会导致温控涂层或者有机聚合物发生分子链的交联、化学键的断裂，从而引起材料的表面软化或者碎裂，为原子氧的侵蚀提供通道，加剧原子氧的侵蚀。

3）空间碎片与原子氧的协和作用

空间碎片与原子氧的协和作用将大大加剧空间材料遭受侵蚀的程度。小于1mm 的空间微小碎片通常不会对航天器造成灾难性损伤；但是由于其数量大，与航天器的碰撞概率高，对航天器表面多次撞击造成的长期积累效应是很明显的。在微小碎片的撞击下，航天器空间功能性防护膜上会出现许多孔洞或裂纹，虽然这些缺陷小得难以发现，但给原子氧提供了一个进入基底材料的通道，原子氧进入防护层下潜蚀并掏空，引起防护层撕裂和脱落，进而导致防护措施失效 尤其是对大面积板形结构的平面阵天线和太阳电池阵危害更大。以色列Ronen Verker研究小组利用激光驱动的高速微小碎片，研究了微小碎片与原子氧对航天器表面聚合物热控材料的协和效应，研究发现微小碎片高速撞击热控材料后引起了原子氧侵蚀速率的增加［5］。碎片撞击形成的孔洞为原子氧侵蚀提供了大量的微观表面，从而增加其侵蚀速率，这就说明由于微小碎片的撞击而引起原子氧侵蚀的增强，给航天器表面材料带来了更大的危害，从而证实了两者的协和作用确实存在。

2．1．2 空间环境诱导效应

1）空间多环境因素诱导污染效应研究

在空间环境诱导污染效应研究中，国外的研究主要关注空间紫外辐射、表面带电和空间碎片等诱导污染效应。

（1）空间碎片与微流星体诱导污染效应。空间碎片和微流星体可能与航天器发生碰撞并导致航天器的损伤，损伤的种类与程度取决于航天器的大小、构型和工作时间，以及微流星体质量、密度和速度等特性。这种撞击损伤包括压力容器的破裂、舷窗的退化、热控涂层的层裂、热防护性能的降低和天线系统的损伤。空间碎片和微流星体对航天器造成损伤的同时，其撞击过程中产生的喷溅物也对航天器造成污染。例如，超高速碎片撞击大面积太阳电池阵，其产生的污染可吸收或散射特定波长的电磁辐射。由超高速撞击引起的污染，可导致透明表层玻璃材料的太阳透过率产生高达15%的退化［6］。

（2）紫外辐射、原子氧与污染的协和效应。紫外辐射和原子氧侵蚀均会造成航天器材料的出气，出气物质在航天器表面的沉积，会导致对航天器敏感材料和器件的污染，光学器件透过率的降低，热控涂层性能的退化等。然而，紫外辐射和原子氧对航天器材料的诱发污染机制是复杂的。首先，紫外辐射造成航天器表面材料，尤其是有机材料发生化学键的断裂，吸附分子和材料组分的解吸附，从而引起出气，导致污染效应的发生；其次，原子氧的掏蚀和对航天器表面材料的溅射及化学反应，引起材料分子或组分在周围扩散沉积，造成对航天器的污染；再次，原子氧对航天器材料的侵蚀和溅射产生的污染物，在航天器表面沉积并受到紫外辐射的作用后，将固化在航天器的表面，加剧了污染对航天器的影响；最后，航天器表面的污染在原子氧的溅射与化学反应的作用下，又将发生剥蚀与减少，对污染起到减缓的作用。因此，紫外辐射与原子氧对其诱发的污染效应机理与航天器表层材料的成分 结构等密切相关。针对不同的航天器材料，要分别分析。

（3）表面带电对污染的增强效应。航天器表面充电后还会产生带电粒子吸附，从而增加表面污染，这是由于从航天器上出气或溅射出来的中性原子，被太阳光电离或与其他离子交换电荷，产生一个低能离子群。这些离子会被吸引到带负电的表面并附着其上，使表面光学性能产生变化，温度升高，透射率降低，吸收系数增大，表面电导率减小。航天器表面污染还会引起入射电子和次生电子数量的变化，从而引起光电性能的变化，表面电导率减小，加剧表面充放电。表面带电还将引起空间环境等离子体测量的误差。

（4）带电粒子与紫外辐射的污染诱导协和效应。带电粒子与紫外辐射也会引起航天器外露材料或器件的出气，从而加重航天器敏感材料或器件的污染，造成其光学性能下降。对热控材料，则造成其太阳吸收率升高，影响航天器热控的安全性。真空紫外环境会造成污染物的蒸发，并改变表面沉积污染物的形态，使聚合物分子间化学键断裂重联，造成污染物与基底之间产生化学变化，加重污染效果。

2）空间多环境因素诱导充放电研究

带电粒子的不均匀沉积和紫外辐射造成的光电效应等，导致航天器结构出现电位差，从而诱发航天器表面带电及自发放电现象。表面放电通常会造成航天器表面材料穿孔性局部损坏，导致航天器中的敏感材料与器件因瞬间的高电压、高电流而毁坏失效。低地球轨道航天器不可避免地会受到空间微小碎片的撞击，研究结果表明，空间碎片撞击后产生的带电碎片喷射物是具有高电导率的等离子体，它为放电提供了一个便利的渠道，从而引发持续的电弧放电现象。静电放电能够在太阳电池阵中产生持续的二次电弧，并且一定是在边缘发生（如在太阳电池片之间，在那里存在偏压和介质材料）。然而，超高速碎片产生的喷射物和污染，能够较静电放电更容易诱发太阳电池阵二次电弧，这在文献［7］中得到了确认。文献［7］中，以4．9km／s发射的Al粒子产生负粒子喷射，在撞击点附近55cm 的位置、几毫秒的时间内变为正电荷。考虑到这个二次电弧放电诱发机制，可以认为撞击产生的等离子体或者碎片喷溅物，是太阳电池片之间1mm 缝隙处放电的原因（见图1）。此外，空间高真空、高低温及温度交变也将与原子氧、辐射等环境发生协和效应，进而对航天器的在轨性能与可靠性带来威胁。

图1 碎片诱发太阳电池片间放电示意图Fig．1 Discharge of solar panel induced by space debris

2．2 航天器舱内环境协和效应

航天器密封舱长期在轨运行期间，还要承受舱内温湿度／气流、残余／次级辐射和微生物等环境协和效应的影响，以下就舱内综合环境对材料和生物的协和效应进行分析。

2．2．1 微生物与微振动协和效应

航天器舱体转位、机械臂运动和太阳电池阵展开等在轨操作，会引起航天器的振动；在空间微重力环境中，这种振动很难自行衰减，从而造成航天器结构材料和部分功能材料因振动而产生应力疲劳。在长期应力作用下，舱内微生物对金属材料的腐蚀会加剧。在振动应力和微生物腐蚀的共同作用下，金属材料表面的氧化膜被微生物腐蚀而造成基底金属的裸露，使裸露金属表面和未破坏的材料表面分别形成了阳极和阴极，从而进一步产生电化学腐蚀现象［8］。而且，由于裸露的金属阳极面积比阴极小得多，阳极将承受很大的电流密度，这也会加速已破坏表面的腐蚀。如果这种腐蚀得不到有效控制，被破坏处将逐渐形成裂纹，从而造成航天器结构材料的损坏和功能材料的失效，并最终影响航天器的在轨可靠性和安全性。

2．2．2 微生物、温湿度和气体循环协和效应

航天器上适宜的温度和湿度为微生物的滋生繁殖创造了理想的条件，从和平号空间站和“国际空间站”上的微生物分布情况来看，冷凝水沉积比较严重的地方或航天员洗漱区域，微生物的污染情况最为严重［9］。同时，航天员的活动以及空气的流动，使微生物能够传播分散到航天器的各个角落［10］，这使航天器内环境中的微生物污染状况更为严峻。

除了水以外，微生物的生存还需要一定的有机和无机营养物质。航天员新陈代谢产物，以及航天器上表面涂层、橡胶圈和纺织物等材料，为微生物的繁殖提供了大量的营养物质。微生物分泌物能破坏航天器金属结构的表面防护涂层和密封胶一方面，微生物将防护涂层的有机物作为营养源，附着在其上生长繁殖，对其进行腐蚀，使其失去防护作用；另一方面，部分微生物的代谢物也会对防护涂层进行腐蚀。一旦防护涂层遭到破坏，微生物将进一步腐蚀基体金属，从而造成结构或功能材料的失效。另外，随着空气或水中微生物的长期繁殖，大量的微生物、微生物分泌物及其腐蚀产物凝结成黏稠的团状或絮状物，可能会造成空气或水循环系统的堵塞，影响航天器生命保障系统的正常运行。

2．2．3 微生物与残余辐射协和效应

空间站上生长的微生物，不仅受空间站内温湿度等常规环境条件的影响，还受到空间站所处的大环境的影响。空间站上的放射性辐射强度约是地面上的100倍，仍不足以直接杀灭微生物，反而会在一定程度上促进微生物的活性，其机理与低强度超声波强化污水处理过程相似。

俄罗斯专家N．D．Novikova研究了俄罗斯1986-2000年载人航天中微生物的污染问题，描述了微生物对空间站通信设备上铜线、钛及橡胶的腐蚀现象［11］。研究人员通过一种特殊的采样器，收集空间站上的微生物群落。在完成考察和返回地面前，航天员借助采样器从各种仪器设备表面收集试样，返回地面2h 后在培养基中培养样品，再进行研究。研究人员将空间站上的细菌放到地面合成材料上观察时发现：1个月的时间里，这些微生物可以将聚酯纤维“咬断”；3个月的时间里，可以将铝镁合金“吃掉”。观察从空间站带回的一小块聚合纤维板后发现，微生物对它的破坏相当严重，其中玖红球菌的破坏性最强。

通过搭载试验，中国科研人员证明了微生物在空间辐射环境下繁殖能力增强的情况（几乎是翻倍增长），烟曲霉菌等真菌搭载后生长速度加快，形态分化提前，对霉腐试验材料的侵蚀能力提高［12］。

2．2．4 空间辐射与微重力协和效应

研究表明，空间环境中对生物遗传变异影响较大的两个因素是辐射和微重力。辐射可引起细胞损伤和基因突变；微重力不仅能在整体水平上，而且能在细胞水平上影响生命过程。空间环境中的辐射和微重力对生物的影响并不是孤立的，而是相互联系、相互影响的。

辐射对植物的影响分为直接效应和间接效应两个方面。首先，辐射会导致植物中水分子的激活并电离，从而产生一系列的链式反应，形成高活性的自由基H2O2O 这些自由基会攻击DNA造成DNA 改变；其次，辐射可以直接作用于生物体的DNA，造成DNA 碱基的变化、DNA 的断裂等，从而引起辐射遗传物质的改变，产生可以遗传的变异。电离辐射的生物效应是由辐射对细胞直接作用后未能修复或错误修复的DNA 损伤引起的。近年来，许多实验结果表明：电离辐射不但能在直接击中（靶向）的细胞中产生辐射损伤，而且能够通过辐射损伤信号的远程传递，对未受到辐射、但处于同一生理环境中的细胞产生同样的辐射损伤，即辐射旁效应。

3 启示与建议

经过几十年的发展，目前世界各航天大国已经初步具备开展航天器空间多因素环境协和效应地面模拟试验评价的能力，并开展了一系列的地面模拟试验研究，但试验结果与实际在轨环境并不完全吻合。地面模拟试验研究的不足主要表现在以下几个方面：空间多因素环境及效应地面模拟能力不足、空间多因素环境协和效应机理不清楚、空间多因素环境协和效应试验方法不够完善、尚不具备空间多因素环境协和效应仿真能力。为此，可以从多因素环境协和效应地面模拟试验装置、协和效应机理、试验方法、仿真预示技术以及综合防护技术开展相关工作。

1）搭建多功能综合环境效应地面模拟试验装置

能够同时实现多种空间环境及效应的地面模拟试验装置，是开展空间多因素环境协和效应地面模拟试验的前提。为此，要搭建不但能够同时实现空间电子、质子、紫外、空间碎片、原子氧、等离子体、真空、高低温及污染环境的地面模拟试验装置，而且要具备对各类空间环境因素及效应的实时监测能力，具备对材料成分和微观缺陷的原位分析能力，这也是目前航天大国空间环境模拟试验的发展趋势［13］。

2）加强多因素环境协和效应机理研究

针对不同的材料或器件，空间环境对航天器的协和效应，或者空间环境对航天器的诱发效应的机理是不同的，只有对这些效应和机理进行充分研究，才能正确判读试验结果，指导试验方法，分析性能退化趋势。

3）建立空间多因素环境协和效应试验方法

在地面模拟试验过程中，往往很难同时实现所有环境因素的共同作用，同时，还要受到环境模拟试验能力的限制，一般采用几种环境同时作用或者顺序作用的方法。因此，要建立空间多因素环境协和效应试验方法及其等效性评价体系 以提高航天器空间多因素环境协和效应研究的有效性。

4）加强航天器多因素环境协和效应仿真及预示方法的研究

由于地面模拟试验很难实现航天器全生命周期的模拟试验，因此可在分析航天器性能退化机理和试验的基础上，建立航天器敏感材料和器件的性能退化预示模型，以对其在轨性能进行仿真预示。

5）大力开展航天器空间环境协和效应的综合防护方法研究

结合空间环境协和效应的特点，在充分了解其作用机理的基础上，针对航天器的外部环境，研究对原子氧、紫外辐射和带电粒子辐射的综合防护方法，同时，加强航天器内部微生物、温湿度和振动等控制措施，以延长材料和器件的使用寿命。

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