航天器先进防护材料及其应用

航天器长期处于恶劣的空间环境中，会对其材料性能造成诸多不利的影响。例如，原子氧的腐蚀作用会导致材料性能退化；空间辐射会使有机材料性能劣化；热循环会造成材料尺寸不稳定和力学性能下降；空间碎片超高速碰撞作用会对材料造成机械损伤和破坏；超高真空环境则会导致有机材料分解蜕变、放气等。因此，从空间环境、航天器飞行任务、发射能力和费效比等方面考虑，航天器防护设计应选用强度高、质量好、抗辐射、化学性能稳定、防护效能好的航天材料，这些材料的特性会对防护能力有很大影响。根据空间环境和防护要求，可将防护材料的特性总结为表5-2。

表5-2　防护材料特性总结

在已有的防护方案中，一般来说，缓冲屏材料应具有很高的冲击阻抗，可令低速粒子充分破碎；后墙材料应具有很高的横向声速，可令碎片云撞击脉冲充分扩散。防护结构材料选择主要包括缓冲屏材料选择和后墙材料选择，其中缓冲屏材料选择是防护结构材料选择的研究重点。缓冲屏材料选择的一般原则是质量小，令入射粒子破碎的能力强，本身形成碎片对后墙的威胁小，令碎片云扩散角度大，令碎片云膨胀速度低，二次反溅效应小。

目前，国内外常用的航天器防护材料可分为金属材料、金属复合材料、纤维材料、防隔热材料和超高温材料。铝合金是航天器防护结构设计过程中采用最多的金属材料，主要原因是其密度较小、强度高、抗腐蚀性能好、易于加工、成本较低，能够在很大程度上满足工程预算需求。铝合金较重，在航天器防护设计解决方案中，多被用作后墙和缓冲材料，提供非常有效的防护铝网通常安装在航天器防护结构最外层缓冲墙的前方，主要作用是碎裂入射空间碎片。金属复合材料是在金属中融入纤维颗粒，从而制成的新型复合材料。该材料剪切强度高，耐疲劳和耐热性能突出，热膨胀系数非常小。航天器防护设计中广泛采用铝蜂窝夹层材料。对于超高速斜碰撞而言，铝蜂窝夹层材料非常有助于将碰撞能量分散到背板的较大区域上，以减小航天器本体被穿透的概率；对于正碰撞下出现的隧道贯穿效应，铝蜂窝夹层能有效限制二次碎片云的扩展，将碰撞效应控制在较小的区域内。此外，随着材料技术的发展，先进陶瓷纤维或颗粒增强铝基复合材料、泡沫铝[32]等作为航天防护材料将具有非常良好的应用前景。纤维材料由于其模量高、强度高、质量小而被广泛应用。高强度Nextel布是一种陶瓷纤维编织布，Nextel布中的铝/硼/硅纤维在高速碰撞下，向入射空间碎片中传播强冲击波（激波），使其碎裂成细小碎片，自身则产生大量对承力层基本无威胁的细小纤维，从而可显著降低对航天器的碰撞威胁。Kevlar布是一种芳族聚酰胺纺织布，如图5-4所示。它具有密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型的特点，其强度为同等质量钢铁的5倍，其密度仅为钢铁的1/5，广泛应用于装甲防护领域。Kevlar能非常有效地转移细小粒子的碰撞动量，并沿纤维纵向将粒子动量迅速地进行重新分配。采用Nextel与Kevlar组合防护结构，可以全面减弱各种入射空间碎片碰撞产生的破坏效应。Beta布是一种紧密编织的玻璃纤维布，表面常覆盖有Teflon涂层。Beta布主要应用于为航天器部件提供热防护的多层绝缘材料中，同时也可抵御因原子氧侵袭而造成的材料退化，并能在一定程度上减缓入射空间碎片的速度。

图5-4　Kevlar纤维布（见彩插）

玄武岩纤维是通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制1 500℃左右熔融的玄武岩石材料而制成的连续纤维，如图5-5所示。其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间，纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色。玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过特殊的装置快速拉制而成的。玄武岩纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物及防护领域等多个方面得到了广泛应用。

图5-5　玄武岩纤维布（见彩插）(www.xing528.com)

考虑到太空中异常的温度环境，防隔热材料在航天工程中得到广泛应用。例如以酚醛、环氧树脂或硅橡胶为基体的低密度烧蚀材料，适用于较高温度下航天器防热隔热，能够保证防护结构性能温度。超高温材料是在太空高温环境中，在航天器穿越大气层的过程中，仍然能够保持稳定的物理和化学性质的材料，这类材料应用于航天器防护，能够起到良好的效果。

除上述材料隔热防碰撞材料外，由于空间辐射环境对航天器在轨安全和可靠性的严重威胁，通过材料的选择和结构设计来提高航天器的抗辐射性能也是不可或缺的。尤其是在材料选择方面，质量屏蔽需要考虑初级辐射和次级辐射的综合影响，同时又要考虑航天载荷增加对结构质量增加的限制，故开发由低原子序数元素和高原子序数元素组成的复合材料，在降低结构质量的同时，提升其抗辐射性能是航天器防护材料的重要发展方向之一。此外，纳米技术在航天器辐射防护材料上的应用也是一个研究的热点，图5-6所示为澳大利亚国立大学研制的一种全新防辐射纳米材料。该纳米材料的防辐射层能起到更厚的防辐射材料的相同防护作用，纳米涂层能够反射指定波长的光和射线，包括远红外和紫外线。当施加不同的温度时，这种新型纳米能够通过改变折射率来反射不同的波长，通过电路加热或者冷却材料就能够改变纳米涂层的折射率。通过叠加多层材料就能屏蔽各类光线和有害射线，可以用来制造新型超薄太空服，也可以用作航天器防护结构。

图5-6　新型防辐射纳米材料（见彩插）