科普 | 航天器也会被腐蚀吗?
2019-09-12 09:30:42
作者:本网整理 来源:科学大院
说到腐蚀,大家并不陌生,因为它每时每刻都在发生。例如:厨房里的铁锅会生锈,碳酸饮料会腐蚀牙齿等。
而太空是高真空环境,没有水,航天器应该不会像在地球上那样被腐蚀吧?答案是否定的。在太空中,航天器更容易被腐蚀,原因主要有三个:辐射、氧、温度。
辐射
宇宙辐射示意图(网络配图)
太空中到处都存在着人类肉眼所看不见的宇宙辐射。它既包括宇宙大爆炸后所残留的热辐射,也包括其他天体向外释放的电磁波、高能粒子甚至是宇宙射线。
太阳所释放的紫外线辐射是引起航天器腐蚀的原因之一。尽管紫外线只占太阳光的5%左右,但是能量却很大。在太空中,由于缺少地球磁场及大气层的“保护屏障”,航天器表面的高分子材料在吸收紫外线后会引发聚合物的自我氧化和降解。
因此,人类航天任务的发射一般会刻意避开太阳耀斑活动频繁的时间周期。
氧
残余大气中的原子氧(网络配图)
航天器刚刚脱离地球表面大气层的保护时,首先接触的便是低地球轨道环境。该区域所处的残余大气中,氧含量约占80%。氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。而在太阳短波辐射的光致分解作用下,氧分子会转变为高活性的原子氧。由于处于高真空和极低的气体总压状态下,原子氧与其他粒子发生碰撞的概率很小,导致原子氧很难再次复合成分子态。
当高速运行的航天器与原子氧发生剧烈的摩擦、碰撞时,航天器表面的聚合物材料会发生高温氧化反应,使其电学、光学以及机械性能等方面发生退化,甚至会引起明显的剥蚀效应,严重影响航天器的运行安全。
温度
在航天器的太空旅行中,除了要面临宇宙辐射及原子氧的威胁外,还需要接受极为苛刻的温度挑战。
自宇宙大爆炸起,太空中的温度便开始逐渐降低。在经历了150多亿年的演变后,目前的太空正处于极寒的环境中,平均温度只有约-270.39℃。但是在真空环境中,由于缺少空气的传热和散热,航天器表面受阳光直接照射的一面,其温度可高达100℃以上。而阳光照射不到的一面,温度则可低至-200℃。这种极端的温度条件和大幅度的冷热交变会影响材料的应力,并可能造成航天器“外衣”的断裂、分层甚至脆化,极大地缩短其安全服役寿命。
此外,宇宙中各星体都有其各自的演变历程,导致不同星球上的环境千差万别。人们发射航天器去往其他星球上执行探测任务时,也需要考虑不同星球的真实环境,进行相应的处理,尽量避免航天器过早地被腐蚀。
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