天和核心舱发射！空间站柔性太阳翼耐原子氧技术路线独家分析

　　4月29日11时23分，我国在文昌航天发射场使用长征五号B遥二运载火箭，将中国航天科技集团五院抓总研制的空间站天和核心舱成功送入预定轨道。这标志着中国空间站在轨组装建造全面展开，我国载人航天工程＂三步走＂战略成功迈出第三步。
　　上世纪 90年代初，我国载人航天工程正式启动，国家采取了＂三步走＂战略：第一步是载人飞船阶段，在此期间我国完成了载人飞船的研制，实现了航天员天地往返等目标；第二步是空间实验室阶段，我国不仅掌握了出舱活动、空间交会对接技术，而且成功验证了航天员中期驻留太空、推进剂在轨补加、运送货物补给等任务和技术；第三步是空间站建设阶段，我国将建造长期有人照料的空间站。
　　航天科技集团五院空间站任务总设计师杨宏说，在空间站关键技术验证阶段，我国将发射天和核心舱以及2艘载人飞船、2艘货运飞船，完成  空间站推进剂补加、再生式生命保障、柔性太阳电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、组装建造、舱外操作、在轨维修等  7大关键技术验证，为实施空间站组装建造和长期运营任务奠定基础。此次成功发射的天和核心舱，全长16.6米，最大直径4.2米，发射质量22.5吨，是未来空间站的管理和控制中心。
　　太阳翼在空间站的作用
　　太阳翼是航天器的供电设备，是航天器赖以生存的＂能量源泉＂，直接关系卫星在轨的有效运行。完整的太阳翼通常需要包括太阳能电池阵列结构、太阳能电池及电路、太阳能电池伸展结构等部分。太阳翼面积越大，其为卫星提供的能源就越多。但受到运载工具有效空间和运载能力等因素的限制，传统的航天器太阳翼在满足性能要求和发射约束方面遇到了两难。
　　此前，空间站上已成功应用的太阳翼主要包括两种，一种是继承前苏联技术的折叠式可展开/收拢半刚性太阳翼，被应用于和平号空间站；另一种是美国自由号空间站（Space Station Freedom）期间推出的柔性太阳翼，自由号空间站是国际空间站（International Space Station，ISS）的前身。随着人类航天事业的不断发展和进步，迫切需要开发大面积或超大面积太阳翼，柔性太阳翼具有结构合理、重量轻等突出优势，是未来必然发展趋势。
　　我国空间工程公司自主创新研制的新型充气展开式太阳翼取了充气展开技术，这一新型太阳翼在展开面积、功率与传统太阳翼相同的情况下，重量下降了50%，既满足了卫星所需的能源供给，又有效减轻了整星重量，也更加有助于＂一箭多星＂发射。
　　空间站柔性太阳翼耐原子氧技术路线分析
　　此前，国家新材料产业发展战略咨询委员会天津研究院前沿材料团队 针对国际空间站柔性太阳翼耐原子氧的可行性技术路线进行了分析，今日摘取部分供感兴趣的朋友学习交流。
　　原子氧是200-700 km低地轨道残余大气的主要成分。原子氧具有极强的氧化性，表面材料被原子氧剥蚀而失效是低地轨道航天器面临的主要环境威胁之一。耐原子氧技术是保证材料或器件在轨性能和寿命的重要手段，不同特征的表面材料需要采用不同的耐原子氧技术。但是需注意考虑整体环境的协同作用，整体上低地轨道环境包含紫外线辐射、热循环和原子氧等诸多因素，并且综合的外部环境将会对材料的耐原子氧能力产生影响。某些材料仅受原子氧侵蚀产生的损伤可能会比在低地轨道综合环境中产生的损伤更严重。以柔性太阳翼基板材料为例，受低地轨道综合环境的影响，其太阳吸收率也会发生变化。当柔性基板材料的太阳吸收率过高时，会使安装在上面的太阳能电池温度升高，从而降低整个系统的效率。柔性太阳翼基板太阳吸收率的目标值为α 0.22，并还应具有长期的稳定性。综上所述，可知最终有潜力应用于国际空间站的柔性太阳翼材料，除了需要耐原子氧，还需要满足其他综合环境条件需求。
　　本文主要针对三种技术路线进行研判，分别是改性Kapton薄膜（二甲基聚硅氧烷-聚酰亚胺均聚物）、表面刷胶处理（硅氧烷），以及表面溅射沉积（SiOx）。
　　三种技术路线分析
　　Kapton薄膜是美国杜邦公司（DuPont）生产的聚酰亚胺（PI）薄膜材料，其具有强度高、柔性好、耐紫外/红外和穿透性好等性能，常被用作航天器柔性太阳翼的主要材料，作为支撑太阳能电池和电路的结构薄膜。然而，Kapton这样的聚合物材料容易被低地轨道原子氧剥蚀（各种材料受原子氧侵蚀的速率参见下表）。因此，需要对Kapton进行进一步技术处理以满足空间站柔性太阳翼应用抗原子氧的需求。
　　1.1 改性Kapton薄膜
　　1988-1989年期间，洛马和杜邦公司联合进行了一项为期12个月的研发项目，对Kapton薄膜进行了针对低地轨道环境耐原子氧性能的改性。项目成功开发出一种二甲基聚硅氧烷-聚酰亚胺均聚物薄膜——Kapton AOR。其实验批产品92-1以及93-1均表现出了优于原Kapton薄膜的耐原子氧性能。
　　在1989年洛马与杜邦公司合著的文章中，以及同年洛马与NASA路易斯研究中心合著的文章中，均提及了实验批次92-1薄膜，称其所表现出的机械性能和耐原子氧能力可以作为低地轨道环境太阳能基板材料的候选，并表示该材料仍需要后续验证。
　　但在1991年NASA路易斯研究中心与克利夫兰州立大学合著的文章中，对Kapton AOR的后续实验批产品93-1进行了更加有针对性的耐原子氧性能测试，并指出该材料不能满足自由号空间站的使用需求。其具体体现为：空间站上的太阳能阵列将承受的原子氧辐照通量为2 1022原子每平方厘米（atoms/cm²），而测试材料在通量为大约7 1021原子每平方厘米时开始出现裂纹并开裂，并在通量为大约9.5 1021原子每平方厘米时完全脱落。这种失效发生时的测试值还不足实际环境值的一半，说明这种材料在没有进一步防护的情况下不足以满足空间站的使用需求。该文章最后建议对此种材料进行表面防护涂层的处理。
　　而据1992年NASA路易斯研究中心和克利夫兰州立大学合著文献中的描述，可以得出以下结论：在太阳吸收率方面，Kapton AOR与SiOx/Kapton（将SiOx溅射沉积至Kapton柔性基板）、CV-1147（应用溶剂涂层的方式对Kapton基材进行涂覆）两种材料相比，最不稳定，不能满足要求。如下图所示，随着真空紫外辐射（VUV）时间的延长，Kapton AOR（图中A）太阳吸收率增加的越高，越不稳定；同时也可以看出SiOx/Kapton（图中B）太阳吸收率最小，并且也具有最佳的稳定性。
　　图 太阳吸收率对比
　　在质量损耗方面，Kapton AOR与SiOx/Kapton、CV-1147两种材料相比，损耗最严重。如下图所示，根据原子氧侵蚀实验的结果可以看出Kapton AOR（图中C）性能最差；同时也表明SiOx/Kapton（图中D）质量损耗最小，抗原子氧侵蚀能力最佳。
　　图 质量损耗对比
　　除了对实验批次产品的技术否定外，通过对杜邦公司的现有Kapton产品查询也并为找到相关改性产品的描述。1989年洛马与杜邦公司对该产品的描述为＂适合大规模制造＂，而到了1991年仍然是实验批次，此后也没有相关的规模化生产信息。分析认为该产品应该已止步于实验批，考虑到新材料产品的验证周期，该产品可能最终仅成为了杜邦公司的技术储备。另外，二甲基聚硅氧烷与聚酰亚胺的共聚难度较大，尤其均聚物很难得到， 此项技术的攻关难度较高。
　　1.2 表面刷胶处理
　　在1989年洛马与NASA路易斯研究中心合著的文章中，对一系列涂覆材料进行了针对空间太阳能阵列环境防护性能的测试，备选材料包括了CV-1144-0（二甲基二苯基硅氧烷），使用溶剂涂层的方式对Kapton基材进行涂覆，涂层厚度为0.001 0.00025 英寸。测试中，虽然CV-1144-0在耐原子氧质损测试中的表现良好，但在其他的涂层基本性能测试中表现较差。具体体现在，CV-1144-0的粘附负荷（blocking load，测试标准ASTM D3354）过高，10.2平方厘米的样品需要超过1.47N的力量才能分开彼此，而其他材料所需力量小于0.1N。文章中表示：＂CV-1144-0的粘性和其倾向于互相粘附的特点使其明显不适用于柔性阵列在压力下的扩展存储＂，NASA据此排除了这个材料。此外，与其他样品相比，CV-1144-0同Kapton基材的剥离强度较低，在涂料基本机械性能方面不具优势。
　　据1992年NASA路易斯研究中心和克利夫兰州立大学合著文献[9]中的描述，可以得出以下结论：在1000 ESH VUV实验条件下（ESH指当量太阳小时，VUV指真空紫外辐射），CV-1147太阳吸收率的测试结果由0.239提高到了0.277，均超过了目标值（α 0.22）；CV-1147作为一款改进材料，在原有基础上进行了粘附改善，降低了其自身相互粘附的情况，但仍然因为太阳吸收率超标而被排除在选择范围之外。
　　因此，判定表面刷胶处理不能满足空间站柔性太阳翼基板耐原子氧防护的要求。
　　1.3 表面溅射沉积
　　1989年，洛马与NASA路易斯研究中心合著的文章中，明确表示在通过对一系列涂覆材料进行综合耐候性测试后，确定选择以二氧化硅薄膜涂层作为基线的方案，来保护自由号空间站上的柔性太阳翼基板免受低地轨道的原子氧环境侵害。文章同时提到了此种材料与沉积技术的供应方为Sheldahl公司。
　　1992年，NASA路易斯研究中心和克利夫兰州立大学的合著文献中描述：SiOxCoated Kapton太阳吸收率实验结果表明，在1000 ESH VUV实验条件下，材料的太阳吸收率由0.214变为0.210，满足目标值（α 0.22）的要求；在700热循环加VUV实验条件下，材料的太阳吸收率由0.206变为0.209，也满足目标值（α 0.22）的要求。太阳吸收率微小的变化也表明其具有最佳的稳定性。原子氧侵蚀实验结果表明，与Kapton AOR 和CV-1147相比，SiOx Coated Kapton质量损耗最小，抗原子氧侵蚀能力最佳。
　　1996年4月，由NYMA公司、NASA路易斯研究中心、洛马和克利夫兰州立大学联合发表会议论文，介绍了他们在NASA路易斯研究中心针对国际空间站太阳能阵列上所用材料的耐原子氧性能所进行的验证测试。文章中提供了空间站上所用太阳能板的截面图（如下图），图中明确体现了底部的基板是通过SiOx涂层对Kapton进行防护的。
　　图 空间站太阳板截面图
　　据推断，此前美国所使用的耐原子氧防护技术思路为对Kapton薄膜进行表面溅射沉积，所用涂覆材料为SiOx。
　　美、俄开始逐渐退出空间站
　　我国或成太空唯一空间站
　　1961年4月，苏联发射了世界第一个载人航天器——＂东方1号＂飞船，把航天员加加林送上了太空。接下来的目标是，如何让人在太空中＂待得住＂＂待得久＂。10年之后，苏联成功发射了世界第一座空间站＂礼炮1号＂。
　　之后，苏联从1986年开始发射由多个舱段组成的＂和平号＂空间站，由1个核心舱和5个实验舱组成，因而大大扩展了航天员的活动空间，提高了空间站的工作能力。苏联这方面的强势使得美国也开始转变重点，国家天文台行星科学家郑永春说，整个1980年代，美苏月球与火星探测进入低潮，美国的航天重点放在了发展空间站相关的东西。
　　空间探测技术资深科普作者庞之浩写道，随着苏联解体，1993年，美国对其＂自由号＂空间站建造方案进行了＂大手术＂，其中最主要的措施是吸收俄罗斯为正式合作伙伴，采用了很多苏联空间站的成熟技术，目的是节省费用、少走弯路、降低风险和缩短时间，这就是今天国际空间站的前身。
　　国际空间站以其庞大的规模、酷炫的外形，已经成为当代世界航天的标志。它是一项国际太空合作计划，于1998年由16个国家历经10年共同建设完成，建造成本高达1500亿美元。1998年11月20日，由美国出资、俄罗斯制造的第一个组件＂曙光号＂功能舱发射成功，随后10多年间，国际空间站从2个太空舱拓展至15个太空舱，直到2010年才最终建造完成并转入全面使用阶段。
　　该空间站是迄今世界上耗时最长、涉及国家最多、规模最大、设备最先进的航天工程，主要由美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。
　　4月12日俄罗斯＂宇航节＂召开的相关工作会议上，俄总统普京做出正式退出空间站项目的决定，并着手计划建造自己的空间站。副总理尤里·鲍里索夫在接受媒体采访时表示，国际空间站的运行年限已满，它的状态已不尽如人意。＂最近关于技术故障的消息越来越多。为了避免在紧急情况下的任何风险，必须对空间站进行技术考察。而且我们最终（做出了退出的）决定并就此诚实地对伙伴们发出预警。＂
　　国际空间站的设计寿命最初只有15年，但在2015年，美国和俄罗斯的航天部门达成一致意见并签署协议，同意国际空间站的使用寿命由2020年延长至2024年。如今已是国际空间站工作的第23个年头，超长的服役期使得空间站的设备性能严重老化，每年高达50亿美元的维护成本，依旧无法修补超长服役期带来的损伤。
　　与此同时，郑永春说，空间站、载人航天这一块，现在美国慢慢在退出来，将重心转向火星探测、重返月球等等，＂美国国家航空航天局（NASA）就想把投到这方面的钱省出来，交给商业公司去做，因为觉得这部分工程已经成熟了。＂
　　在过去20来年里，美国在国际空间站上的投入已超过1000亿美元，如此巨大的开支对于NASA来说压力不小。每年为了运维空间站，美国都需耗费约40亿美元，而NASA整个财年的预算大约在170至180亿美元。
　　2018年，特朗普政府开始将国际空间站逐渐私有化，交由私营企业经营，计划从2025年开始，美国联邦政府将停止向国际空间站提供任何资金。美国在2019财年投入1.5亿美元的财政预算，培养航空领域的商业实体进一步发展、成熟，以确保商业领域的接替者，届时有能力接管空间站。
　　载人航天是一项高投入、高风险、高技术的系统工程，至今只有俄罗斯、美国和中国三个国家独立掌握载人航天技术。2024年国际空间站退役之后，在一段时间内，中国的地球空间站可能将是太空中唯一的空间站。