浩瀚無(wú)垠的宇宙中蘊(yùn)藏著許多未知的奧秘，它仿佛擁有著巨大的魔力，吸引著人類(lèi)不斷的探索。月球，是人類(lèi)太空探險(xiǎn)的第一步。但由于潮汐鎖定現(xiàn)象，月球圍繞地球的公轉(zhuǎn)周期與其自轉(zhuǎn)周期相同，導(dǎo)致人類(lèi)在地球上始終只能觀測(cè)到月球的“正面”。因此，多年以來(lái)，人類(lèi)對(duì)月球背面的了解非常有限。直到2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器自主著陸月球背面的馮?卡門(mén)撞擊坑內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次月背軟著陸，并成功傳回第一張?jiān)虑虮趁娴慕嚯x影像，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)太空探險(xiǎn)道路上新的里程碑。

浩瀚的太空及登陸月球的嫦娥四號(hào)探測(cè)器（圖片來(lái)源自16素材網(wǎng)、新安晚報(bào)）

　　但“嫦娥”的奔月之旅其實(shí)并不輕松，甚至可謂是困難重重。其中，太空中材料的腐蝕就是令科學(xué)家們比較頭疼的問(wèn)題。

　　說(shuō)到腐蝕，大家可能并不陌生，因?yàn)樵谖覀兩钪?，它每時(shí)每刻都在發(fā)生。例如：廚房鐵鍋的生銹，碳酸飲料對(duì)牙齒的腐蝕，街道護(hù)欄的風(fēng)化開(kāi)裂等等?？梢哉f(shuō)，腐蝕無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響著我們的生活。但有人可能會(huì)問(wèn)，太空既然是高真空環(huán)境、沒(méi)有水的存在，航天器應(yīng)該不會(huì)像地球上那樣腐蝕吧？但令人意想不到的是，與“溫順”的地球環(huán)境相比，真實(shí)的太空對(duì)航天器的“外衣”甚至威脅更大。

　　舉一個(gè)真實(shí)的例子，“和平號(hào)”空間站作為美俄國(guó)際空間站合作計(jì)劃的一部分，是前蘇聯(lián)建造的第一個(gè)軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸俄羅斯）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，它實(shí)際在軌工作的十多年時(shí)間里，共發(fā)生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。

　　前蘇聯(lián)研制的和平號(hào)空間站（圖片來(lái)源自新華網(wǎng)） 

　　那么，究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蝕失效呢？“嫦娥”奔月途中，到底會(huì)面臨怎樣嚴(yán)峻的考驗(yàn)?zāi)?？讓我們首先從太空中的環(huán)境說(shuō)起。

　　其實(shí)，太空的真實(shí)環(huán)境遠(yuǎn)沒(méi)有科幻電影中描述的那般美好，到處都存在著人類(lèi)肉眼所看不見(jiàn)的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時(shí)也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。它們對(duì)人體的危害可以說(shuō)是致命的。但由于地球磁場(chǎng)與大氣層對(duì)宇宙輻射的偏折和吸收作用，才能保證人類(lèi)在地球上的正常生活?？墒?，一旦脫離兩者的保護(hù)，完全暴露在這種強(qiáng)輻射環(huán)境中，即便是穿著厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙輻射對(duì)人體的傷害。當(dāng)然，面對(duì)太空中如此高強(qiáng)度的輻射，航天器也會(huì)“深受其害”。

　　其中，太陽(yáng)所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽(yáng)光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場(chǎng)及大氣層的“保護(hù)屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會(huì)引發(fā)聚合物的自我氧化、降解。另外，紫外線中的單個(gè)光子所具有的能量足以破壞聚合物間的化學(xué)鍵，使其斷裂、交聯(lián)，從而導(dǎo)致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為了盡可能的削弱宇宙輻射對(duì)航天器的影響，人類(lèi)航天任務(wù)的發(fā)射甚至?xí)桃獗荛_(kāi)太陽(yáng)耀斑活動(dòng)頻繁的時(shí)間周期。

　　此外，當(dāng)航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護(hù)，首先接觸的便是低地球軌道環(huán)境（距離地球200-700km），該區(qū)域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽(yáng)短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚缘脑友?，由于處于高真空及極低的氣體總壓狀態(tài)下，氧原子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，導(dǎo)致氧原子很難再次復(fù)合成分子態(tài)。當(dāng)高速運(yùn)行的航天器與原子氧發(fā)生劇烈的摩擦、碰撞時(shí)，航天器表面的聚合物材料會(huì)發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，使其電學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能等方面發(fā)生退化，甚至?xí)鹈黠@的剝蝕效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的運(yùn)行安全。

　　在“嫦娥”的太空旅行中，除了要面臨宇宙輻射及原子氧的威脅外，還需要接受極為“苛刻”的溫度挑戰(zhàn)。自宇宙大爆炸起，太空中的溫度便開(kāi)始逐漸降低，在經(jīng)厲了150多億年的演變后，目前的太空正處于極寒的環(huán)境中，平均溫度只有約-270.3 。并且，真空環(huán)境中，由于缺少空氣的傳熱和散熱，航天器表面受陽(yáng)光直接照射的一面，其溫度將高達(dá)100 以上，而陽(yáng)光照射不到的一面，溫度則可低至-200 。這種極端的溫度條件和大幅度的冷熱交變會(huì)影響材料的應(yīng)力，并可能造成航天器“外衣”的斷裂、分層甚至脆化，極大的縮短其安全服役壽命。

　　通過(guò)上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，在如此復(fù)雜的太空環(huán)境中，航天器的腐蝕根本無(wú)法避免。并且，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，一架航天飛機(jī)的維修成本甚至遠(yuǎn)高于其制作成本和發(fā)射成本。因此，采用科學(xué)的手段抑制航天器在太空中的腐蝕問(wèn)題勢(shì)在必行。

　　首先便是選擇和發(fā)展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕的高性能材料，世界各國(guó)的科學(xué)家也正為此不斷的努力探索。此外，結(jié)合不同材料的用途及其實(shí)際服役環(huán)境，采用合適的表面處理技術(shù)顯得更為重要。因?yàn)樾阅軆?yōu)異的防護(hù)涂層不僅可以提高航天材料的功能性，包括耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗氧化、抗輻射等，同時(shí)也可以延長(zhǎng)航天器的使用壽命，節(jié)省維修成本。然而，與地面裝備表面防護(hù)不同的是，由于有機(jī)涂層在真空環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)放氣、老化脫落等一系列問(wèn)題，航天材料一般不會(huì)使用有機(jī)涂層進(jìn)行防腐，而主要采用的表面技術(shù)包括化學(xué)/電化學(xué)沉積、化學(xué)/電化學(xué)氧化、無(wú)機(jī)涂層以及特種薄膜制備等等。

　　鎂合金，作為地球上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，擁有比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性強(qiáng)、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的使用上具有先天的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)減重的目的，我們熟知的神州、天宮、嫦娥等系列航天器中，均大量使用鎂合金。

　　以此次發(fā)射的“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器為例，其中，探月雷達(dá)、月球車(chē)巡視器、著陸器上許多重要電子設(shè)備的箱體結(jié)構(gòu)所采用的就是鎂合金，主要利用其減重、導(dǎo)電及優(yōu)異的電磁屏蔽性能，可以有效的削弱外界電磁場(chǎng)對(duì)核心電路系統(tǒng)的干擾。但鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，耐蝕性差，甚至在地面存放期間便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕。因此，必須采用合理的表面處理方式，在滿足其導(dǎo)電性及電磁屏蔽性能的基礎(chǔ)上，有效提高其耐腐蝕能力。

　　中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在這方面做了很多工作，科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的鎂合金鍍層具有防腐、導(dǎo)電、電磁屏蔽等多功能性，滿足了航天器若干的使用要求，并在天宮、嫦娥等多個(gè)型號(hào)的航天器上使用。下圖是嫦娥四號(hào)上使用的表面處理后的鎂質(zhì)航天器部件。

  　　嫦娥四號(hào)探測(cè)器及嫦娥四號(hào)用鎂質(zhì)航天器部件（左側(cè)圖片來(lái)源自新華網(wǎng)）

　　“嫦娥”的奔月成功只是人類(lèi)探索太空的階段性勝利，宇宙中仍有無(wú)數(shù)未知的奧秘等待著人類(lèi)去揭曉。在未來(lái)的探索道路中，可能會(huì)暴露出更多太空中的“腐蝕”問(wèn)題。讓我們攜手并進(jìn)，砥礪前行，一步一步追尋屬于我們的“太空夢(mèng)”…

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