航天服材料的靜電吸附效應地面試驗研究

路子威，季啟政，唐 旭，馮 娜，韓炎暉，梅 飛，李振陽

（1. 中國空間技術研究院 通信與導航衛星總體部，北京 100094； 2. 陸軍工程大學，石家莊 050003；3. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094； 4. 北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

暴露在空間環境下的空間站結構體與空間等離子體相互作用會導致結構體產生-100 V 左右的電位。空間站航天員在出艙活動時，航天服表面的陽極氧化材料會由感應帶電形成低電位，在航天服與空間站表面間形成電場。同時，由于空間站發動機尾流、材料出氣等會向周圍釋放各種空間塵粒等污染物，這些污染物粒子在等離子體作用下帶負電，在電場力作用下會吸附到航天服表面，產生空間塵粒污染的靜電增強吸附效應問題。這種附著在航天服上的污染物不僅會對航天服本身造成損傷，如果隨航天服進入空間站內，還會對航天員的健康及空間站內部儀器設備的安全運行造成威脅。

本文首先分析了空間站-航天服靜電起電模型及帶電塵粒在電場作用下的靜電吸附機理；然后利用所研制的靜電吸附效應地面模擬試驗裝置對4 種典型航天服材料開展靜電吸附效應模擬試驗與驗證；最后基于本文試驗結果提出降低塵粒污染增強效應危害的建議。

1 航天服靜電吸附機理

1.1 空間站-航天服靜電電場

空間站在軌運行時，空間站結構與等離子體發生相互作用，使結構體帶懸浮電位。此外，空間站在電離層等離子體環境快速運動過程中切割地球磁場也會產生感應電位。如圖1 所示，空間站相對空間等離子體環境電位產生結構懸浮電位，典型值約為-120 V。

圖1 航天員自主出艙時形成的靜電場Fig. 1 The electrostatic field formed during astronaut’s autonomous extra-vehicular activity

當航天員為自主出艙模式時，航天服對空間等離子體環境的電容很小，會在空間等離子體作用下很短的時間內與等離子體環境達到電位平衡，航天服對等離子體環境的電位約為-1～-2 V。空間站-航天服之間電位差（-）形成的電場對空間中荷電的塵埃粒子產生靜電吸引作用，將塵埃粒子吸附到航天服上。

1.2 帶電塵粒在電場作用下的靜電吸附過程

空間環境中的塵埃顆粒可視為等離子體環境下運動的非偏置固體，在太陽平靜期，由于低地球軌道環境的電子平均速度遠大于離子平均速度，到達塵埃粒子表面的電子數目將大于離子數目，所以在電子與離子的作用下并且電位動態平衡時，粒子的表面電位將達到一個穩定負電值，在電場作用下粒子會沉積在陽極板上。航天服（-1～-2 V）電位高于空間站（-120 V）電位，因此航天服作為陽極是塵埃顆粒積累的主要位置。

帶電的塵粒在電場力的作用下驅向并到達航天服表面后，交出所帶電荷并形成污染沉積（如圖2 所示），此為塵埃粒子在航天服上的吸附過程。吸附過程的主要作用力為庫侖力，塵粒距離吸附表面很近且表面為金屬材料時庫侖力可近似表示為

圖2 帶電粒子受庫侖力吸附的過程Fig. 2 The process of charged particle adsorped by Coulomb force

式中：為常數（9.0×10N·m/C）；為塵粒上的電荷；為塵粒的直徑。庫侖力與平衡電荷和塵粒直徑相關。

對于圖2 所示情形，當粒子所帶電荷為，表面帶有極性相反的電荷時，沉積在表面上的粒子總數為

式中：為沉積粒子總數；為空間中的粒子數密度，m；為每個粒子所帶電荷，C；為表面電場強度，V·m；為粒子的機械導納，m·N·s；為電荷均勻分布的表面面積，m；為時間，s。

值得注意的是并不需要航天服表面和粒子都帶電才能發生吸附現象。在航天服表面呈電中性的情況下，帶電塵粒通過電場的靜電感應，能夠使航天服表面介質材料發生極化效應，即航天服表面的聚合物分子發生取向極化，在帶電塵粒附近的航天服表面及其周邊區域聚集與粒子電性相反的電荷，從而在庫侖力作用下，帶電塵粒發生吸附。這一吸附過程如圖3 所示。

圖3 帶電塵粒誘導表面帶電并吸附至表面的過程Fig. 3 The process of charged dust particle inducing surface charging and being adsorbed to the surface

一般空間帶電塵粒處在=1 和=10 間的狀態。圖中=1、=100 V/cm 的曲線和=10、=100 V/cm 的曲線的中間部分，能體現空間站航天員出艙作業時與空間站觸摸、分離過程的典型電場及粒子帶電情況，即在100 V/cm 的電場強度下，粒徑為0.01～0.1 μm 的粒子以0.1～10 cm/s 的速率沉積，粒徑為0.1～10 μm 的粒子以0.01～0.1 cm/s 的速率沉積。

2 靜電吸附效應地面模擬試驗

空間站在軌運行時，一般會安裝電位控制器減弱航天器的整體帶電情況，使得航天服-空間站間靜電電場場強較低。但由于大多數塵埃粒子在空間中都會在等離子體作用下帶負電，很少存在不帶電情況，所以勢必會發生向航天服的吸附效應。

圖4 顯示了幾種典型帶電狀態下表面污染粒子沉積速率與粒徑的關系，其中描述的是粒子電荷的Boltzmann平衡分布狀態：=0 為粒子不帶電狀態；=1 為暴露于雙極空氣離子云中粒子的電荷狀態；=10 為潔凈環境氣溶膠最可能的電荷狀態。

圖4 幾種典型帶電狀態下表面污染粒子沉積速率與粒徑的關系Fig. 4 The relationship between radius of typical charged particles and deposition rate of surface pollution particles

2.1 試驗設備

為驗證在空間低軌等離子體環境中電子俘獲帶電的航天服材料與空間站結構體形成電場后，帶電的塵埃粒子在電場作用下的靜電增強吸附效應，研制了靜電吸附效應模擬裝置（如圖5 所示）。

圖5 靜電吸附效應模擬裝置示意Fig. 5 Schematic diagram of the simulator facility for electrostatic adsorption effect

靜電吸附效應模擬裝置由真空室、真空系統、平移臺和測量裝置組成。真空室為前開門，前門和真空室側壁設有觀察窗，底部設有真空抽氣口；頂部安裝電子槍，電子槍發射的電子束照射航天服材料，能模擬低地球軌道電子對材料的荷電作用。由于塵埃粒子的荷電和試驗測試模擬條件復雜，測試需使用接觸測試方法，并破壞被測對象的帶電情況，所以在本試驗裝置中沒有使用塵埃粒子實物作為試驗樣品，而是在真空室內安裝靜電球，通過在靜電球上施加靜電壓形成高壓電場，模擬塵粒帶電時的電場情況。平移臺可帶樣品臺在電離工位（電子槍位置）、靜電電壓測量工位（探頭位置）和物理現象觀察工位（靜電球位置）3 個工位之間移動。試驗進行時，樣品臺上放置被測樣品，利用電子槍先對樣品荷電，然后使用平移臺將材料樣品移動至靜電球位置下，能初步定性觀察帶電材料與帶電球間的作用關系，并定量描述航天服保持電子能力（荷電效率）。

2.2 試驗材料

選擇鍍ITO 的Kapton 薄膜、雙面鍍鋁Kapton薄膜、無紡布、滌綸網4 種材料模擬航天服的表面情況。鍍ITO 的Kapton 薄膜用來模擬航天服的面罩材料；雙面鍍鋁Kapton 薄膜用來模擬航天服的連接關節（包括手環、臂環等）金屬表面等部分；無紡布用來模擬航天服表面的主體織物表面材料；滌綸網用來模擬航天服表面的聚酯材料。4 種材料基本覆蓋了航天服表面的主要材料。

2.3 試驗過程

對上述4 種航天服表面材料模擬樣品按圖6所示流程開展靜電吸附效應模擬試驗。試驗中的極限真空度可達1.0×10Pa。

圖6 靜電吸附效應地面試驗流程Fig. 6 Flowchart of ground test of electrostatic adsorption effect

測試時在靜電球上加直流高壓形成電場，每種材料都能在靜電吸附作用下克服重力作用，吸附到靜電球上，如圖7 所示。

圖7 4 種材料的靜電吸附效應Fig. 7 Electrostatic adsorption effect of four kinds of materials

2.4 試驗結果及分析

表1 材料的試驗實測數據Table 1 Test data of materials

表2 材料的電子槍荷電效率分析Table 2 Analysis of charging efficiency of material by electron gun injection

分析表中試驗數據可知：1）材料在低地球軌道等離子體環境中有明顯的帶電現象，并且由帶電導致的靜電吸附力足以克服物質的重力，使材料吸附到靜電球上；2）在模擬裝置的電子槍輻照條件下，電子槍發射的電子并不能全部被收集到材料上，究其原因，一方面是高能量的電子能夠穿透材料使得材料帶電量低于理論值，另一方面荷電材料上的電子在真空環境下能發生沿面閃絡放電而消散的情況而導致荷電量下降；3）比較4 種材料的保持荷電電子能力（荷電效率），無紡布最好，雙面鍍鋁Kapton薄膜最差，這是因為無紡布的質量最大、厚度較厚且為非靜電導體材料，而雙面鍍鋁的Kapton 薄膜質量最低、厚度較薄且為靜電導體材料。但也可以看出一個普遍存在的情況，即不論材料保持荷電的能力如何，材料在荷電后受到的靜電吸附力都能克服重力，吸附至靜電球。考慮到空間中的失重條件，塵埃粒子不必在幾千甚至上萬的靜電電位條件，只需在千伏、百伏量級的靜電電位下，就足以產生較強的靜電吸附作用而吸附到航天服表面。

3 結論與建議

上述分析和試驗表明，航天服表面各模擬材料都會對空間中的塵埃粒子產生靜電吸附效應。航天服的主體材料——航天服織物表面荷電效率可達33%，具有較強的保持帶電能力，在帶電塵粒環境下對塵埃粒子的靜電吸附力較強，粒子能吸附在表面不易脫落，有明顯的吸附現象；航天服表面的聚酯材料、面罩的荷電效率可達5%，也有一定的靜電保持能力，可吸附帶電塵埃粒子；金屬表面的荷電效率最低，約為2%，但試驗現象表明，金屬材料也具有靜電吸附效應，也能發生一定的靜電吸附現象。

目前我國已完成空間站的發射，已有航天員在空間站長期駐留并進行出艙作業，將來隨著出艙作業的時間和頻次的增加，航天服必將面臨空間塵粒污染的靜電吸附增強效應問題，為此，本文提出如下建議：

1）基于航天服上存在污染物顆粒附著污染的問題，在空間站的氣閘艙內設計針對相關污染物的清除裝置，特別是針對污染物顆粒在服裝表面的靜電吸附增強效應，應設計靜電消除裝置，使污染物顆粒更易于從服裝表面脫除。

2）采取必要措施對航天服表面，特別是航天服主體材料的織物及聚酯材料表面進行處理，減弱或消除其靜電吸附增強效應，使污染物更易從服裝表面脫除，并通過后續對脫塵的收集、清除實現保持航天服潔凈的目的。