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科普小百科:粉末冶金摩擦材料與航天器的空間交會對接

發布時間:2016-10-25收藏本文關閉本文

來源: 有色金屬在線 有色金屬在線

空間技術是20世紀興起的科技新領域之一, 已成為當今世界大國爭奪的戰略制高點。根據我國航天發展戰略與規劃, 將進一步加強航天工業基礎能力建設, 超前部署前沿技術研究, 繼續實施載人航天、 月球探測和新一代運載火箭等航天重大科技工程, 統籌建設空間基礎設施。隨著我國空間技術的不斷進步, 預先研究的航天器將逐漸由“試驗型”向“應用型”轉變, 以載人航天為例, 在突破和掌握空間交會對接、 新一代重型運載火箭等關鍵技術后, 將陸續發射空間實驗室、 載人飛船和貨運飛船, 最終建成自己的空間站。空間站的建設, 需依靠對接機構、 轉位機構和空間機械臂等空間機構實現交會對接、 在軌組裝、 燃料加注和空間維護等航天任務。空間用摩擦副是空間機構的關鍵活動部件之一, 主要用于航天器的制動、 離合及安全保護, 起著緩沖耗能、 扭矩傳遞和過載保護等作用。

空間用摩擦副即在空間狀態下工作的摩擦副, 主要用于航天器的制動、 離合及安全保護。

為滿足空間機械高可靠、 長壽命、 小體積、 輕量化等要求, 空間用摩擦副在一些特殊條件下需同時具備多種功能。如: 對接機構用摩擦副要求同時具備航天器接近時的減速制動功能、 航天器脫離時的反推離合功能及對接碰撞時對機構部件的安全保護功能; 在空間機械臂中, 起安全保障的關節制動摩擦副, 需承擔機械臂運作過程中的制動與過載保護。空間飛行器中的電機、 發動機等部件也常需考慮摩擦副的設計及性能。

空間用摩擦副依靠摩擦副材料的摩擦作用來執行制動或傳動等功能。由于空間環境的特殊性, 空間用摩擦副材料受高溫與低溫、 超高真空、 高比負荷、 高速與低速和輻射等諸多因素的耦合作用, 因而對材料提出了很高的要求, 要求空間用摩擦副材料具有穩定的摩擦因數、 較低的磨損率以及良好的環境適應性。

作為空間運動機構中的關鍵部件, 若在空間用摩擦副結構設計、 材料選材等方面忽視摩擦學問題, 將造成一些難以彌補的缺陷, 摩擦副的失效將會給航天器帶來毀滅性的災難。如空間機械臂中制動摩擦副的制動距離過短, 會使短時制動力矩過高, 造成臂桿抖動、 關節機構失效等惡劣事故, 而制動距離過長, 無法保證避免機械臂與航天器碰撞以及人身安全; 對接機構用摩擦副的制動力矩或傳遞扭矩過小, 無法實現航天器對接過程的制動減速及航天器間的脫離。

基于空間對接機構的結構設計要求, 空間對接用摩擦副集減速制動功能、 反推離合功能和安全保護功能于一體, 其性能的可靠性將直接關系到航天器在軌對接的成功與否, 這給機械工作者和材料工作者帶來了巨大挑戰。

在國外,美國宇航局對航天飛機機械臂摩擦副材料的實驗研究表明, 以石棉/酚醛樹脂為主要原料的摩擦片在地面實驗中滿足性能要求, 但在空間任務中其摩擦學性能出現大幅衰減, 且研究表明酚醛樹脂等有機復合材料受強輻照后易發生交聯、 聚合和斷鏈, 運行軌道越高, 受太空輻照的破壞越嚴重。歐空局研制了一種空間機械臂摩擦副用陶瓷摩擦材料, 但尚未明確提出摩擦副的綜合安全指標。俄羅斯概要性提出空間對接機構用摩擦副采用粉末冶金摩擦材料配對金屬對偶材料, 但未論述摩擦副材料的性能指標。

在國內,中南大學率先開展了空間用粉末冶金摩擦副的研制, 主要集中于空間用摩擦副摩擦材料的材料設計和應用技術研究, 著重探討了材料各組元對材料摩擦磨損性能的影響以及空間用摩擦副特定工作條件下的摩擦磨損機理, 創新性地提出了一種新型高體積百分比非金屬組元含量粉末冶金摩擦材料, 該材料具有良好的摩擦磨損性能, 已成功應用于神舟八號、 九號、 十號和天宮一號的在軌自動和手動交會對接。

粉末冶金摩擦材料雖具有類似于金屬的物理力學性能, 但因含有較多的非金屬顆粒, 其量值要遠低于致密金屬。 和其他摩擦材料相比, 它具有一系列優異的使用特性:

1)高的機械強度。在工作溫度和復雜工況下能適應拉、 擠、 彎、 剪等不同性質載荷, 其他材料無法同時具備這一特性, 特別是在重載和沖擊載荷條件下。

2)高的使用溫度。基體金屬熔點高, 使材料在較高的溫度下仍能保持穩定的強度和摩擦磨損性能。

3)大的熱容量。材料的比熱容和密度大, 單位體積內能吸收較多的摩擦熱量, 這對于易產生“尖峰負荷”的運行工況來說是相當重要的。因為尖峰負荷產生的巨大熱量不可能在短時間內導出、 散發, 如果材料自身能較多地吸收摩擦表面的熱量, 則表面溫度將迅速降低, 且不會導致摩擦面的材質和性能變壞、 甚至燒損失效。

4)優良的導熱性能。銅、 鐵等金屬具有良好的導熱能力, 一方面使摩擦表面的熱量快速向外傳導至對偶材料, 被其吸收和散發; 另一方面使摩擦表面的熱量向內傳導進入摩擦層和鋼質芯板并被其吸收、 散發, 保證摩擦面溫度始終保持在允許的范圍內, 使材料長期穩定地工作, 這對重載工況尤其重要。

5)高的抗腐蝕能力。在油和水中不易破壞, 這種對環境介質的強適應能力, 使得粉末冶金摩擦材料是少數能夠在濕、 干及二者混合型工況下工作的摩擦材料。

6)優良的抗磨損性能。

7)穩定的摩擦特性。由于材料的穩定性好, 當摩擦面的溫度升高時, 摩擦因數和耐磨性能不會明顯下降, 冷卻后再使用時的回復能力強。

8)可以制成薄型摩擦材料, 減小材料體積。

(資料來源:)

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