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科普小百科:粉末冶金摩擦材料与航天器的空间交会对接

发布时间:2016-10-25

来源: 有色金属在线 有色金属在线

空间技术是20世纪兴起的科技新领域之一, 已成为当今世界大国争夺的战略制高点。根据我国航天发展战略与规划, 将进一步加强航天工业基础能力建设, 超前部署前沿技术研究, 继续实施载人航天、 月球探测和新一代运载火箭等航天重大科技工程, 统筹建设空间基础设施。随着我国空间技术的不断进步, 预先研究的航天器将逐渐由“试验型”向“应用型”转变, 以载人航天为例, 在突破和掌握空间交会对接、 新一代重型运载火箭等关键技术后, 将陆续发射空间实验室、 载人飞船和货运飞船, 最终建成自己的空间站。空间站的建设, 需依靠对接机构、 转位机构和空间机械臂等空间机构实现交会对接、 在轨组装、 燃料加注和空间维护等航天任务。空间用摩擦副是空间机构的关键活动部件之一, 主要用于航天器的制动、 离合及安全保护, 起着缓冲耗能、 扭矩传递和过载保护等作用。

空间用摩擦副即在空间状态下工作的摩擦副, 主要用于航天器的制动、 离合及安全保护。

为满足空间机械高可靠、 长寿命、 小体积、 轻量化等要求, 空间用摩擦副在一些特殊条件下需同时具备多种功能。如: 对接机构用摩擦副要求同时具备航天器接近时的减速制动功能、 航天器脱离时的反推离合功能及对接碰撞时对机构部件的安全保护功能; 在空间机械臂中, 起安全保障的关节制动摩擦副, 需承担机械臂运作过程中的制动与过载保护。空间飞行器中的电机、 发动机等部件也常需考虑摩擦副的设计及性能。

空间用摩擦副依靠摩擦副材料的摩擦作用来执行制动或传动等功能。由于空间环境的特殊性, 空间用摩擦副材料受高温与低温、 超高真空、 高比负荷、 高速与低速和辐射等诸多因素的耦合作用, 因而对材料提出了很高的要求, 要求空间用摩擦副材料具有稳定的摩擦因数、 较低的磨损率以及良好的环境适应性。

作为空间运动机构中的关键部件, 若在空间用摩擦副结构设计、 材料选材等方面忽视摩擦学问题, 将造成一些难以弥补的缺陷, 摩擦副的失效将会给航天器带来毁灭性的灾难。如空间机械臂中制动摩擦副的制动距离过短, 会使短时制动力矩过高, 造成臂杆抖动、 关节机构失效等恶劣事故, 而制动距离过长, 无法保证避免机械臂与航天器碰撞以及人身安全; 对接机构用摩擦副的制动力矩或传递扭矩过小, 无法实现航天器对接过程的制动减速及航天器间的脱离。

基于空间对接机构的结构设计要求, 空间对接用摩擦副集减速制动功能、 反推离合功能和安全保护功能于一体, 其性能的可靠性将直接关系到航天器在轨对接的成功与否, 这给机械工作者和材料工作者带来了巨大挑战。

在国外,美国宇航局对航天飞机机械臂摩擦副材料的实验研究表明, 以石棉/酚醛树脂为主要原料的摩擦片在地面实验中满足性能要求, 但在空间任务中其摩擦学性能出现大幅衰减, 且研究表明酚醛树脂等有机复合材料受强辐照后易发生交联、 聚合和断链, 运行轨道越高, 受太空辐照的破坏越严重。欧空局研制了一种空间机械臂摩擦副用陶瓷摩擦材料, 但尚未明确提出摩擦副的综合安全指标。俄罗斯概要性提出空间对接机构用摩擦副采用粉末冶金摩擦材料配对金属对偶材料, 但未论述摩擦副材料的性能指标。

在国内,中南大学率先开展了空间用粉末冶金摩擦副的研制, 主要集中于空间用摩擦副摩擦材料的材料设计和应用技术研究, 着重探讨了材料各组元对材料摩擦磨损性能的影响以及空间用摩擦副特定工作条件下的摩擦磨损机理, 创新性地提出了一种新型高体积百分比非金属组元含量粉末冶金摩擦材料, 该材料具有良好的摩擦磨损性能, 已成功应用于神舟八号、 九号、 十号和天宫一号的在轨自动和手动交会对接。

粉末冶金摩擦材料虽具有类似于金属的物理力学性能, 但因含有较多的非金属颗粒, 其量值要远低于致密金属。 和其他摩擦材料相比, 它具有一系列优异的使用特性:

1)高的机械强度。在工作温度和复杂工况下能适应拉、 挤、 弯、 剪等不同性质载荷, 其他材料无法同时具备这一特性, 特别是在重载和冲击载荷条件下。

2)高的使用温度。基体金属熔点高, 使材料在较高的温度下仍能保持稳定的强度和摩擦磨损性能。

3)大的热容量。材料的比热容和密度大, 单位体积内能吸收较多的摩擦热量, 这对于易产生“尖峰负荷”的运行工况来说是相当重要的。因为尖峰负荷产生的巨大热量不可能在短时间内导出、 散发, 如果材料自身能较多地吸收摩擦表面的热量, 则表面温度将迅速降低, 且不会导致摩擦面的材质和性能变坏、 甚至烧损失效。

4)优良的导热性能。铜、 铁等金属具有良好的导热能力, 一方面使摩擦表面的热量快速向外传导至对偶材料, 被其吸收和散发; 另一方面使摩擦表面的热量向内传导进入摩擦层和钢质芯板并被其吸收、 散发, 保证摩擦面温度始终保持在允许的范围内, 使材料长期稳定地工作, 这对重载工况尤其重要。

5)高的抗腐蚀能力。在油和水中不易破坏, 这种对环境介质的强适应能力, 使得粉末冶金摩擦材料是少数能够在湿、 干及二者混合型工况下工作的摩擦材料。

6)优良的抗磨损性能。

7)稳定的摩擦特性。由于材料的稳定性好, 当摩擦面的温度升高时, 摩擦因数和耐磨性能不会明显下降, 冷却后再使用时的回复能力强。

8)可以制成薄型摩擦材料, 减小材料体积。

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