空间辐照环境材料损伤及防护措施

       在低地球轨道飞行时，由于存在地球磁场和地球自身的屏蔽作用，大大降低了宇航员受到的空间辐射照射。但地磁场对空间辐射的屏蔽作用随轨道倾角的增加而下降，在两极区几乎失去防护作用。轨道高度越高，地磁场屏蔽作用越小，航天员受到的辐射剂量越大。对于登月或火星飞行，虽然脱离了地磁捕获辐射源，但也失去了低地球轨道的自然防护条件，从而加大了银河宇宙辐射和太阳粒子事件的影响，一旦遭遇特大粒子事件，将可能威胁到宇航员的生命安全。深空探测的空间环境更为复杂，提高飞行器表面材料抗辐照能力也是材料研究的重点之一。

       航天器在轨运行期间，其外露材料遭受的辐射环境不仅包括带电粒子辐射（主要是电子和质子），还包括太阳电磁辐射（主要是紫外线）[1]。质子是最多的粒子，占空间辐射场各种高能粒子的85%，穿透本领是高能电子的十分之一。带电粒子辐照主要是指地球内外辐射带中存在着的大量的具有不同能量及通量的质子及电子，对航天器材料、器件和人体等造成的辐射损伤。真空紫外辐照能够引起航天器表面材料，尤其是树脂基复合材料的老化，造成材料各类性能的退化。这些射线、粒子辐照使热控涂层、太阳能电池、润滑材料、有机粘结剂等材料面临严竣的考验。空间多因素环境协同效应，它们的共同作用将造成航天器外露材料的性能发生严重退化甚至失效。

       NASA马歇尔飞行中心对空间环境造成的在轨113起在轨故障和异常分析表明，等离子体充放电与粒子辐射损伤引起的故障占69%。美国1965年至1986年发射的航天器发生了近2000个异常事故与现象。美国“探险者”14号、15号、“电星一号”，由于空间的辐射而遭到损坏。

       对辐射损伤效应进行研究，对正确选用航天器件、提高航天器件的可靠性和长寿命具有重大的现实意义。一方面是为了对飞行器异常情况和故障进行分析，另一方面是为了辐射防护。

1、带电粒子辐照损伤与不利影响

      空间辐射环境中存在着大量的高能粒子，带电粒子辐射是对航天器尤其是载人航天器造成辐射损伤的重要环境因素之一，带电粒子累积的当量剂量严重威胁着航天员的生命安全，因此人们在研制和发射航天器时，必须考虑到空间粒子辐照对航天器所有材料、电子器件、设备乃至航天员的影响。

      空间辐射环境中的高能带电粒子或高能光子作用于航天器，可引起航天材料及由航天材料研制的元器件产生单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应和内带电效应等，导致航天材料或器件的暂时性损伤或永久性故障。

      带电粒子（包括质子和电子）辐照能够导致材料表面的高聚物分子链发生断裂或交联，使航天器材料的光学、热学、电学、力学等性能均发生一定程度的退化，导致敏感表面或光学器件的性能下降甚至失效。与此同时，粒子辐射空间环境效应可以分解材料分子，提高出气量，改变材料的力学、电学以及导热性质，进而可以诱导产生温度效应、真空效应和原子氧效应等连带效应[2]，例如带电粒子辐照后会改变温控涂层的光学特性，导致航天器内部温度的失控[3]。

2、紫外线辐照

     紫外线主要来自波长在1~400nm范围的太阳电磁辐射，约占太阳总辐射能量的8%。太阳电磁辐射对航天器的在轨运行具有重要的影响（特别是紫外波段），虽然其能量比例较低，但由于其光子能量较高，可对航天器在轨运行带来严重的威胁。

     真空紫外辐照能够引起航天器表面材料，尤其是树脂基复合材料的老化。紫外辐照对高分子材料有2种不同效应：瞬态效应（剂量率效应）和累积效应（总剂量效应）[3]。其中瞬态效应是可逆的，当外界紫外辐照撤掉后，高分子材料的性能基本保持不变；累积效应则是不可逆的，高分子材料在长期紫外辐照后发生成分和结构的变化，造成材料性能退化。

     在空间环境下，真空紫外辐照对航天器材料具有较大的损伤作用，不仅能使其表面化学键发生断裂，造成材料在升温过程中的塑性及形变量增加，还会引发材料表面的化学老化，使其在低温下产生微裂纹、皱缩及表面脆化等，从而导致材料力学性能的下降。此外，真空紫外辐照还会导致聚合物基体严重变色，使材料的光学性能和电性能发生变化。真空紫外辐照虽然占太阳总辐射量的比例很小，但是长期的紫外辐照会对航天器的表面材料造成一定程度的辐射损伤，如导致温控涂层的吸收率增加，太阳电池片的效率降低等[4]。

3、带电粒子辐射与太阳电磁辐射的协同效应

       紫外辐射不仅可造成价键断裂乃至电离，而且可能引起带电粒子辐射损伤的加剧或损伤的修复。在带电粒子辐射和太阳电磁辐射的综合作用下，表层热控材料和光学器件的性能，特别是对有机热控涂层，将产生较大的退化影响乃至失效。这是因为带电粒子辐射不但可能打断有机材料的化学价键，而且可引起材料内部发生电离效应或位移效应[5]。

4、航天材料对辐射防护

       粒子与物质相互作用主要是通过与物质核外电子相互作用来损失其大部分的能量，所以物质中单位质量的电子密度越大，其质量阻止本领越强。也就是说，低原子序数材料对初级辐射的防护效果较好，例如在相同质量条件下防护能力最好的是Li，最差的是Zn。所以航天器材料从辐射防护角度考虑，应尽量选用低原子序数材料。采用低原子序数的材料有利于增强航天器抗辐射能力，提高航天器的稳定性[5]。

石墨烯

      石墨烯在极端环境下具有良好的稳定性，所以石墨烯非常适用于高真空、原子氧和紫外辐照环境下应用。例如石墨烯复合空间润滑材料能在原子氧、紫外辐照综合空间环境下依然表现出优异的摩擦磨损性能[6]。

      在需要重点考虑提高辐射防护的性能的领域，比如航天器内壁、宇航服等对单位质量的辐射防护能力要求较高。随着石墨烯在航天材料领域的应用越来越广泛，可以不断满足我国载人航天事业的更高发展要求。

我们的服务

       在北京航空航天新材料技术成果对接会上，我们了解到在航空航天领域对适用空间辐照环境的高性能材料的应用需求。

       针对需求方提出关于空间辐照环境下的应用背景和材料指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，精准挖掘高校、科研院所现有的科研技术成果。

       未来，我们将组织科研团队与需求方进行深度对接，将技术成果与应用需求结合起来，通过“产学研”协同创新以解决在空间辐照使用环境下的高性能材料的应用问题，并且深度探讨双方合作与发展模式。

参考：

1、唐锦, 赵杏文, 程新路. 空间高能质子对飞行器材料的损伤分析[J]. 失效分析与预防, 2007. 3.

2、张帷, 王茂川等. 航天材料空间环境效应损伤机制研究[J]. 中国金属通报. 2018. 8.

3、沈自才, 姜海富等. 航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究[J]. 宇航材料工艺. 2016. 2.

4、沈自才, 邱家稳等. 航天器空间多因素环境协同效应研究[J]. 中国空间科学技术. 2012.

5、杨浩, 张紫霞等. 航天材料对质子辐射防护性能的模拟研究[J]. 航天器环境工程. 2008. 6.

6、刘宇, 刘勇等. 石墨烯在航天领域应用进展[J]. 宇航材料工艺. 2017. 4.