Космическое материаловедение

Космическое материаловедение — раздел междисциплинарной науки материаловедения, изучающий свойства материалов в космическом пространстве.

Основные направления исследований

Радиационная стойкость и защита. Изучение изменения свойств материалов под воздействием солнечного ветра и при нахождении в радиационных поясах Земли^[1]
Механическая стойкость воздействию микрометеорных частиц^[1]
Испарение материалов в глубоком вакууме^[2]
Воздействие собственной внешней атмосферы космических аппаратов на их материалы и оборудование^[1]
Коррозия в условиях вакуума и/или невесомости^[2]
Изучение свойств материалов в условиях экстремально низких и высоких температур, а также в условиях изменения температуры в широких диапазонах.^[2]

Радиолюминесценция стекла

При использовании оптических линз в космическом пространстве может возникать свечение внешней линзы, вызванное космическим ионизирующим излучением, что служит помехой основному оптическому сигналу. Поэтому изучение свечения, возникающего в стёклах различных типов под действием космического излучения, имеет большую важность.^[1]

Люминесцентную способность стёкол определяют следующие компоненты: окиси кремния SiO₂, бария BaO и свинца PbO. Другие компоненты практически не влияют на радиолюминесценцию стекла.^[1]

Стёкла можно разделить на ряд групп по-оптическим свойствам. Основными из этих групп являются «кроны», т.е. стёкла типов К, ЛК, БК и ТК; и «флинты», т.е. стёкла типов Ф, ЛФ, КФ, БФ и ТФ.^[1]^:87

После облучения заметная люминесценция наблюдается у стёкол первой группы на протяжении нескольких месяцев. Под действием высоких температур яркость свечения снижается. Происходит, так называемое, температурное тушение люминесценции.^[1]^:88

Разрушение материалов атомарным
кислородом и ультрафиолетовым излучением

Остаточная атмосфера на низких орбитах состоит в основном из атомов кислорода (80%) и молекул азота N₂ (20%). Большая часть кислорода на больших высотах диссоциирует под воздействием космического ультрафиолета (λ~121,6 нм). Плотность потока частиц зависит от солнечной активности, высоты и угла наклона орбиты и других факторов.^[1]^:124 Поэтому некоторые металлы, в первую очередь Ag, Os, а также углерод и органические материалы, подвержены сильному окислению и эрозии.^[1]^:126

Материалы наиболее подверженные эрозии под воздействием атомарного кислорода:^[1]^:127

Композитные материалы с полимерной основой, графито-эпоксидные композиты, термопластическая резина.
Твердые смазки: MoS₂; мягкие металлы (Ag; Pb; In).
Терморегулирующие покрытия (ТРП) — металлизированные полимеры (Al-тефлон, Al-каптон), органические краски (белые и чёрные).
Оптические материалы:
- металлические покрытия: Ag, Al, Ni, Au, Ta, Ti, Zr
- диэлектрические покрытия: MgF₂; CaF₂.
Компоненты космической энергетики — солнечные батареи, каптоновые плёнки, серебряные контакты, стеклянные волоконные композиты.
Отражатели — кремний, акрилы, фтористые полимеры, поликарбонаты, Ag, Al. Защитные покрытия материалов: Ni, SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, ZnO, Ni/SiO₂, ITO, In₂O₃.

При контакте серебра с атомарным кислородом на его поверхности возникает оксидная плёнка, с высокими внутренними напряжениями, из-за которых она лопается и отслаивания от поверхности. Это приводит к потере массы и загрязнению окружающего пространства частицами AgO.^[1]^:140

Реакционная эффективность, Re, различных материалов от воздействия атомарного кислорода при экспонировании в условиях околоземного космического пространства^[1]^:134
Материал	Реакционная эффективность, Rе, *10⁻²⁴ [см³∙ат⁻¹]
Алюминий	0
Al₂O₃	0,025
Углерод	1,2
Алмаз	0,021
Эпоксид	1,7
Золото	0
Графитовый эпоксид	2,6
Каптон	3
Полиэтилен	3,3
Поли(метилакрил)	3,4
Поликарбонат	6
Полистирол	1,7
Полисульфон	2,4
Силикон	0,05
Силоксан полиимид (7% Sx)	0,6
Силоксан полиимид (25% Sx)	0,3
Поли(винилфлюорид)	3,2
Политетрафлюорэтилен	0,04
Полиэфиркетон	2,2
Майлар	3,9
Нейлон-6,6	4,4
PVA^{[неизвестный термин]} C₄H₆O₂	5,2
PEO^{[неизвестный термин]} C₂H₄O	5,7
Делрин	9,5

Для снижения скорости разрушения поверхностных материалов их покрывают тонкими (1 мкм), устойчивым к эрозии защитным слоем, неорганическим (SiO2, Al2O3, MgF2, Si3N4), или полимерным (тефлон, силикон и др.). Защитный слой позволяет уменьшить потерю массы в 10-100 раз.^[1]^:137

Примечания

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ АКИШИН А. И. КОСМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ = Методическое и учеб- ное пособие / К.И.Стратилатова. — Москва: МГУ, НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА, 2007. — 209 с. — 100 экз. Архивировано 17 октября 2013 года. Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 6 июля 2013. Архивировано 17 октября 2013 года.
↑ ¹ ² ³ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ. Архивировано 26 мая 2013 года.

Литература

А.И. Акишин, Л.С. Новиков. КОСМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. (недоступная ссылка)
Л. Л. Регель, Р. Ж. Сагдеев. Космическое материаловедение = Итоги науки и техники: исследование космического пространства. — ВИНИТИ, 1991.
А. С. Охотин. Космическое материаловедение и технология = Институт космических исследований (Академия наук СССР). — Наука, 1977. — 182 с.
Л. С. Новиков. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов = учебное пособие. — Москва: Университетская книга, 2010. — 192 с. — ISBN 978-5-91304-190-6. (недоступная ссылка)
А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов. — Москва: Знание, 1983. — 64 с. — (ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ «Космонавтика, астрономия», № 4). Архивная копия от 24 августа 2011 на Wayback Machine
Касаев К.С., Акишин Ф.И., Башкиров В.Ф., Графодатский О.С., Кузнецов Н.В., Макальцев А.А., Милеев В.Н., Новиков Л.С., Ныммик Р.А., Панасюк М.И., Соловьёв Г.Г., Сосновец Э.Н., Тельцов М.В., Толстая Е.Д. Воздействие космической среды на материалы и оборудоваеие космических аппаратов = Новые наукоемкие технологии в технике. — Москва: ЗАО НИИ «Энцитех», 2000. — Т. 16. — С. 285.
Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов = Модель космоса : Сборник. — Москва: КДУ, 2007. — Т. 2.