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博天堂游戏账号:行走太空,航天器“骨骼”要经受得起这些考验

来源:中国航天报作者:杨诗瑞责任编辑:于海洋
2021-06-10 09:48

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近期,据俄罗斯媒体报道,俄罗斯国家航天集团公司正在研制新型材料,以便用于运载火箭、飞船、卫星等航天器制造。同时,包括美国、英国等国家也在探讨航天新材料成形加工技术与航天器复杂部件精确制造及智能化装备技术。那么,航天工程为什么如此关注材料发展?

航天器的基础

航天器是按照天体力学规律在太空运行,执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的飞行器,主要包括火箭、卫星、飞船等,是人类在宇宙中开疆拓土的“急先锋”。

然而,这个“急先锋”可不好当,为突破地球大气层的束缚,航天器在高速飞行时会与大气层产生摩擦,其热量甚至能够达到2000摄氏度以上。当航天器冲出地球大气层后,磨难也不会就此消停,在空间环境下,紫外辐射、粒子辐射、热辐射等都会对航天器带来重重考验,就算只是真空环境,也会像“拔罐器”一样考验着航天器“皮肤”的耐力。

除此之外,还有太空中的微流星、航天器碎片等空间物体带来的重大威胁,它们就像流弹一样考验着航天器的“强壮程度”,而航天器面临的上述所有考验,都要由航天器的材料来承受。

航天器使用的材料要经受得起太空环境考验

材料是现代科学技术、社会经济发展和国家安全的重要支柱,世界上很多国家都把材料技术列入国家的关键技术研究计划中。航天装备对材料的依赖性尤为突出,这是因为材料不仅是苛刻的空间环境的实际承受者,有时还承担着供电、屏蔽、散热等重要工作。都说“没有金刚钻别揽瓷器活”,材料就是航天这项“瓷器活”的“金刚钻”,是“工欲善其事必先利其器”中的“器”。

但是,航天器材料的选择并不是一件容易的事情,一方面是因为航天器结构复杂,包含耐高温、耐冲击、甚至耐低温等需求,要进行综合分析,并根据航天器的结构设计,在权衡各方面的要求和条件后,最终确定适合的材料。另一方面是因为现有的材料体系非常庞大,同时还不断地有新的材料被研制出来。

总体来说,航天器的材料体系非常复杂,主要包括实现航天器承力的结构材料,实现控温耐热等需求的功能材料和推动航天器飞行的燃料。

结构材料坚韧轻薄

结构材料以力学性能为基础,是制造受力构件的所用材料。这种材料就像是航天器的骨骼,是其形体的塑造者。

不过,结构材料在航天器中占的比例非常小。以火箭为例,火箭外壳结构材料在整体中所占的比例与鸡蛋壳在整个鸡蛋中所占的比例差不多。这是因为在火箭上,燃料是“死重量”,不能随意增减,所以,科研人员会把心思放在火箭的外壳上,将火箭的外壳做薄,目的就是为了给火箭减重。

火箭的重量每减轻1公斤,就可使它的有效载荷增加1公斤。对于运载的卫星、飞船来说就能增加一项重要的功能。

火箭达到第一宇宙速度时,承受着非常大的力量,可以达到自身重量的7倍左右,这都需要材料来承受。不仅如此,火箭在飞行时,还面临着与大气摩擦产生的巨大气动热,其发动机内部也面临着难以想象的热能。

在这种情况下,结构材料的重量越轻越好,耐热温度越高越好,并需要一定的可成形性。尽管钨等有色金属的耐温性比较好,但其本身密度很高,同时价格非常昂贵,也不易成形,极大地增加了制造成本。

在种种约束条件下,铁基金属材料——也就是钢材进入了科研人员的视野。尽管普通钢材的耐热温度只能达到1000摄氏度左右,但通过添加镍、钴、钨等元素,可以有效提升钢材的使用温度,甚至可达到1500摄氏度左右,因此被命名为“高温合金”。同时。这种材料也比较容易成形,所以一直是航天器的宠儿。

SpaceX公司的“星舰”储箱材料为不锈钢

后来,科研人员又发现了钛合金。这种材料在同样强度下,其部件的质量更轻,因此成为了航天器结构材料中的“香饽饽”。不过,由于钛合金的耐温性能比高温合金差,需要通过耐高温的功能材料来帮衬。

随着人类探索太空脚步的前进,以及有赖于材料科学的发展,复合材料成为了航天器结构材料的生力军。例如,碳碳、碳二氧化硅等陶瓷基的复合材料,不仅能够承受2000摄氏度的高温,且质量非常轻。

功能材料推陈出新

功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其转化的功能,用以实现对信息和能量的感觉、计测、显示、控制和转化为主要目的的非结构性材料。这种材料就像航天器的血脉,有了它航天器才能“活”起来。

采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料的火箭整流罩

尽管功能材料在整个航天器上占的比重有限,但缺少或损坏都可能造成难以估量的损失。例如,航天器发动机使用的陶瓷涂层,这种薄薄的“外衣”最高可抵挡约2000摄氏度的高温,同时还能起到100摄氏度以上的温降作用,如果没有这层涂料,航天器发动机运行的安全时长将大大降低。

2003年,美国哥伦比亚号航天飞机失事,就是由于燃料箱表面的耐热泡沫材料在安装过程中存在缺陷导致。一块耐热泡沫材料击中了航天飞机左翼前缘,从而造成了不可挽回的损失。

除了耐高温,光伏功能材料也是航天器上的“重要嘉宾”。卫星上展开的太阳能电池板就是由光伏材料组成。1954年,美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池,并于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。

由于太空中的温度较高,曾经的宠儿——硅光电池在200摄氏度以上不能工作,已经逐渐被对温度不敏感的砷化镓太阳能电池替代。

燃料是含能材料家族的一个成员,在航天领域中以固态燃料和液态燃料为主。近年来,航天器使用的燃料由较为传统的二聚酸二异氰酸酯、二茂铁及其衍生物等复合固体火箭燃料和高浓度水合肼、二甲肼、硝基甲烷等液体火箭燃料向更加环保、能量也更大的液态氢等燃料转变。

总之,材料及相关技术的快速进步,将进一步推动航天技术的发展,让人类看得更远、更清晰,走得更远、更安全。

文/杨诗瑞

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