魏强

人类自诞生之日起就被牢牢地束缚在地球上，但人类对浩瀚无垠的太空向往已久，探索太空从未止步。在漫长的岁月里，先辈学者倾注了很大的精力去观测和研究发生在地球周围空间（近地空间）、太阳系空间及更遥远的宇宙空间的自然现象。随着人造地球卫星发射，人类进入了空间时代。空间科技成为当今世界高科技群体中对现代社会最有影响的科学技术之一。空间环境与材料之间的关系则是这些问题的关键一环。空间环境对材料的影响对航天器及其材料（如带电粒子辐射和原子氧）都很苛刻。在空间环境下，对材料损伤机理和性能演化的研究和保护是必要的。另一方面，空间环境是特殊的环境，如失重，可以在特殊环境中制备新颖的材料。此外，随着空间环境的知识，人们越来越关注空间环境资源的利用和环境转换材料的开发。因此，按照空间境与材料的相互关系，研究范围可具体分为：空间环境下材料的服役行为（Materials behavior in space environment）、空间环境下材料科学（Materials science in space environment）、空间环境资源利用材料（Materials for space environment exploitation）。

图1 国际空间站

1.空间环境与地面模拟技术

空间环境指航天器在轨期间所遇到的自然和人为环境。其中近地轨道环境和地球同步轨道环境是目前人类开发利用的主要场所。通过不断探索和研究，人类对空间环境已有了相当的认识和了解。空间环境具有复杂性和多变性的特征，其中对于材料影响较大的几种空间因素为空间辐射环境(质子、电子、其它重粒子以及太阳电磁射线)、热循环环境、原子氧、空间微粒子(微流星及空间粉尘)、空间碎片、宇宙高真空环境。

航天器所遇到的空间环境是极其复杂的。同时，航天器在轨运行期间所遇到的空间环境与所处的轨道有密切关系。常用的轨道有低地球轨道和地球同步轨道。低地球轨道的高度为200-500km，粒子密度7.5×10⁹cm^-3(200km处)-1.0×10⁷cm^-3(500km处)。这些粒子中主要(50%-90%)是处于中性基态的原子氧，在此轨道上航天器受原子氧冲击表面的能量约为5ev。低地球轨道环境中也存在有陨石和空间碎片，典型的直径为0.1-0.001cm。在此轨道上，带电粒子主要包括质子和电子，材料经受带电粒子辐照年吸收剂量约为10³Gy，其粒子能量为1-2MeV。基本的电磁辐射是太阳远紫外光谱，波长范围为100-150nm，通量为4×10¹¹cm^-2s^-1，在此轨道上还存在有快速温度交变的热环境。

同步地球轨道高度为36000km，在此高度，一颗25-30年的航天器所接受的电磁辐射剂量可达10-100Mgy。在地球同步轨道环境下，带电粒子辐照是十分重要的环境因素。带电粒子主要是来源于地球辐射带的质子与电子，具有很宽的能量分布范围。

前苏联和美国是最早发展航天技术的国家，因而也是最早发展空间环境模拟技术的国家，从上世纪六十年代初就开始建造空间环境模拟设备。最早的空间环境模拟设备是热真空设备，用来模拟真空和热环境两种基本空间环境对航天器的作用。迄今为止，用于整星热真空和热平衡试验的大型热真空设备仍然是最重要的空间环境模拟设备。随着航天飞行时间的不断增长及对空间环境认识的深入，发现各种不同的空间环境因素对航天器都有不可忽视的影响。于是又相继出现了模拟质子、电子等带电粒子辐照环境，模拟空间紫外辐照环境，模拟原子氧及微陨石、空间碎片环境等各种不同的环境模拟设备。

我国的空间环境模拟技术起步于上世界六十年代初。经过接近四十年的发展，以KM系列为代表的大型空间热真空模拟设备的水平一直居于世界的前沿。最新的KM6载人航天空间环境试验设备，更代表当代国际水平，它将为我国载人航天起重要保证作用。另外在模拟空间电子、质子、紫外、原子氧、真空、冷黑等多种环境因素的综合模拟技术方面也有一定的发展，基本上形成了含盖真空、低温、光学、热物理、电磁学等多项学科综合的空间环境模拟技术学科。

2. 空间环境材料服役行为

空间环境具有显著的特殊性，除了真空环境、高低温及热循环环境和微重力外，还存在着等离子体、电磁辐射、电子辐照、质子辐照、原子氧、微流星体及碎片等环境，以及由航天器自身某些系统工作时或在空间环境作用下产生的诱导环境，如材料出气的分子污染等。这些特殊环境的单一或综合作用产生的复杂效应都会给的包括航天器和生命体在内的各种物质的带来严重影响，如图1所示。因此，深入了解空间环境因素及其对包括航天器和生命体在内的物质的影响变化机理和规律，发现其中的基础科学问题及解决途径，对于保障我国航天活动的顺利可靠开展是非常重要的。

图2 空间环境与物质效应

3、空间材料科学

我们在太空进行材料科学实验的原因很简单。这是因为我们想改进地球上制造的材料。空间的重力环境大大降低，可以进行独特的科学实验。在大多数情况下，这些实验不能在地面上进行。

在地球上，许多重力驱动的现象是有效的，在材料加工过程中往往会导致一些不必要的或有害的影响。所提到的现象是浮力、对流、沉降和静水压力变化，它们几乎影响所有涉及流体相的过程。

在微重力作用下，熔融物中的浮力对流显著减少，沉降效应受到抑制。这使得研究结晶和凝固机理不受液体中对流热和传质的干扰。

这样，空间存在的低重力水平为材料科学的基础研究项目提供了一个重要的工具。因此，在微重力环境下进行高要求的实验可以被视为材料科学的一种革命性方法。例如，可以进行仔细控制的科学实验，让我们更深入地了解晶体和非晶材料的形成方式。然后，研究人员将真正了解金属的详细微观结构是如何发展的（参见图3），以及重力如何影响工业过程，如合金铸造或半导体晶体生长。

图3 空间环境下金属材料微结构
 

在太空中进行的实验将有助于更好地理解科学，从而改进地球上的进程的观点正在取得进展。这些实验可能有助于使晶体生长成为一门科学。此外，人们认为，不能在地球上进行的具体实验应该在太空中进行。例如，利用63Zn同位素（图4）研究锌在液态锌中的自扩散被认为是一个经典的实验，它在太空中已经完成，在地球上是不可能完成的。所提出的液晶表面张力实验属于这一范畴。通过在太空中进行实验，我们能更深入地了解范德瓦尔的力、临界点现象、冲击、粘附或摩擦的性质。

图4 用放射性65Zn同位素测定液体锌的自扩散系数（skylab实验）。理论与实验有着密切的一致性。在地球上得到的数值是非常不同的，因为干扰对流过程.

4、空间环境资源利用材料

空间环境的两面性，而不仅仅是一种只能给航天器带来影响的恶劣影响。空间资源是空间环境中能够为人类开发利用、获得经济和其他效益的物质或非物质资源的总称，目前已经探明可资利用的空间资源主要有高远位置、微重力、高真空、无污染、太阳能和其他丰富的物质资源，概括起来包括轨道资源、环境资源和天体矿物资源。

太阳是一个直径为1.39×10⁹米的非常热的气态物质球体。太阳能量离开巨大的火炉（1.5×10¹¹米远的太阳）仅8分20秒就到达我们的星球。太阳的黑体有效温度为5762K。中心区域的温度要高得多，估计为8×10⁶到40×10⁶ K。实际上，太阳是一个连续的聚变反应堆，氢在其中转化为氦。太阳的总能量输出为3.8×10²⁰毫瓦，相当于太阳表面的63毫瓦/平方米。这种能量向四面八方向外辐射。只有一小部分（1.7×10¹⁴千瓦）的总辐射被地球拦截。然而，即使只有这一小部分，据估计，落在地球上30分钟的太阳辐射相当于世界一年的能源需求。

在各种空间太阳能技术中，光伏电池起着主导作用。光伏转换是太阳光直接转化为电能而不受任何热机的干扰。光伏设备坚固耐用，设计简单，几乎不需要维护，其最大的优点是其作为独立系统的结构，可提供从微瓦到兆瓦的输出。自20世纪70年代初开始，天基太阳能（SBSP）是在空间收集太阳能供地球使用的概念（见图5）。

图5 系留太阳能卫星构想（系留空间站）

目前有一系列材料可用于光伏转化，如图6所示。用于光伏太阳能电池的材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉和硒化/硫化物铜铟。其他材料则是以薄膜层、有机染料和有机聚合物的形式沉积在支撑基板上。第三类由纳米晶体制成，用作量子点（电子约束纳米颗粒）。硅仍然是唯一一种在体积和薄膜形式上都得到很好研究的材料。

图6 多年来各种材料的光伏效率

5、总结展望

空间环境与材料物质相互作用关系的研究，不但揭示空间环境作用下材料物质结构演化的基本规律，为航天器可靠稳定长寿命运行和人类安全活动提供重要的科学支撑，而且也可实现空间特殊环境下物理学、化学、材料科学和生命科学等领域新的突破，充实与拓展其科学内涵，促进相关基础科学的发展。

魏强，河北工业大学机械工程学院, 中国天津