空間環境下磁性液體潤滑／密封初探*

張永超 李湘帆 王婭萍 溫明富 牛小東

（1. 汕頭大學工學院 廣東汕頭 515063； 2. 汕頭大學智能制造技術教育部重點實驗室 廣東汕頭 515063）

近年來， 我國空間探索工程快速穩步推進， 從繞地運行的北斗衛星導航系統、 “天宮號” 載人空間站到“嫦娥” 探月計劃、 “天問一號” 火星探測項目成功開展， 中國正逐步解開古人對宇宙“日月安屬、列星安陳” 的千古疑惑， 實現“盡攬九天星河， 扶搖勢、 取北斗” 的宏偉暢想。 可以預見， 隨著太空探索的不斷深入， 空間飛行器和相應設備的研發也將面臨更加嚴峻的技術挑戰。 在數年甚至數十年的工作期間， 空間裝備活動部件要保持長期高效高精度運行， 離不開強大優異的潤滑／密封技術提供支持和保障。 不同于常規設備， 空天裝備具有工作環境苛刻、工作周期長、 機構質能密度要求高、 維護難度大等特點， 除了載人飛行器上的部分系統外， 其他部件在軌運行時其裝備幾乎不可能進行維護操作， 一旦發生故障， 極有可能危及整個任務的實施， 造成難以估量的損失[1］。 另外， 適應空間開發建設目的的空間機械臂等大功率機械還對潤滑／密封結構提出了“高速”、“精確”、 “大承載” 等新的技術要求。 磁性液體作為一種新型磁控智能材料， 通過將納米級磁性顆粒分散于水基、 油基或其他成分的載液中， 形成的均質膠體具有獨特流動性和磁致伸縮性， 具有優異的潤滑／密封性能。 磁性液體的正式應用始于其成功地解決了宇航服活動關節密封及宇宙飛船失重狀態下的液體輸送問題[2］。 此后， 其良好的物化性質使得磁性液體在軸承潤滑／密封[3-5］、 阻尼減振[6-8］、 醫療器械[9-11］等領域取得了迅猛的發展應用。

圖1 展示了一種常見的磁性液體潤滑／密封結構。磁性液體被注入由永磁體、 極片和軸構成的磁路中，填充極片和軸之間的間隙， 形成若干液體“O” 形環， 保持潤滑的同時也可起到一定的密封作用。 磁性液體用于潤滑／密封具有結構簡單、 壽命長、 可控性強的特點， 可實現定域潤滑進而有效減小摩擦； 此外， 磁性液體可實現潤滑／密封一體設計， 其所獨有的自密封性、 自修復性、 自清潔性， 是常規潤滑劑／密封介質所不具備的顛覆性優勢。

圖1 一種常用的磁性液體潤滑／密封結構Fig.1 Typical magnetic fluid lubrication and seal structure

目前， 相關文獻對常規工況下的磁性液體潤滑／密封已經有了較為詳細的介紹[3，10，12-19］， 但是對于磁性液體應用于空間飛行器潤滑／密封問題的可行性研究較少。 目前關于航天用金屬密封和航天用常規潤滑劑等領域的研究較多[20-27］， 但是關于磁性液體用于航天器／航天設備潤滑／密封的報道大多集中在早期的研究中， 新近研究極少， 可能是相關資料保密的原因。早期美國JPL 實驗室的研究人員[28］認為磁性液體密封具有無磨損、 零泄漏和速度范圍廣等三大優點， 是解決空間動軸密封的有效方式之一。 波音公司和NASA 曾將鐵磁性液體應用于空間站散熱系統[29］的轉軸上， 以防止液氨冷卻劑泄漏， 最終的磁性液體密封方案滿足360°可連續旋轉、 零泄漏、 易維護、 10 年無替換壽命設計、 99%可靠性以及磁性液體與氨不互溶等多項要求。

磁性液體潤滑的自回位性、 自修復性以及對潤滑機制的改善， 是其區別于其他潤滑／密封策略的獨特優勢。 首先， 在磁性液體潤滑／密封處， 磁性液體的磁致伸縮性使得將要溢出的磁性液體介質自動“吸回” 接觸表面， 起到自回位作用， 可有效避免潤滑劑逸散問題。 其次， 當壓力過大導致出現密封泄漏或潤滑失效后， 若壓力恢復到容許范圍內， 磁場作用會自動調整磁性液體分布， 使其恢復到原始密封、 潤滑狀態， 可大幅降低設備維護難度。 最后， 一方面磁性液體中磁性顆粒的存在可利用滾珠效應將摩擦副之間的滑動摩擦轉化為滾動摩擦， 從機制上改善摩擦性能； 另一方面， 納米級的磁性粒子沉積、 填充在潤滑表面的損傷紋理中[30］， 對潤滑表面摩擦磨損可起到修復作用， 降低潤滑面的表面粗糙度、 增強潤滑吸附性、 延長系統壽命[18，31］。 另外， 磁性液體在長期而廣泛的工業實踐中表現出的穩定優勢和充分的技術積累， 使其能夠滿足航天工業商用材料選擇的保守性原則。

本文作者從宇宙空間的典型特征出發， 考察空間潤滑／密封問題所面臨的要求和挑戰， 以相似環境下地表磁性液體潤滑／密封應用進展作為參考， 討論磁性液體用于空間飛行器潤滑／密封問題的可行性； 最后根據磁性液體極端工況潤滑／密封技術的當前進展和局限性， 提出發展空間環境下的磁性液體潤滑／密封所亟待解決的科學問題以及可能的研究方向。

1 空間環境

量化考慮空間環境的影響是航天設備研發的重要前提。 1967 年， FAGAN 和WILSON[32］在討論空間裝備保障問題時， 提出了4 類對航天器和人類空間活動影響重大的環境參數， 即失重、 輻射、 高真空和微流星體， 并基于這4 類參數闡述了空間環境對空間裝備維護的影響， 如表1 所示。 在真空失重狀態下， 設備的移動和存儲需要以全新的方式考慮以便于適應新的環境。 而輻射和微流星體高速撞擊導致的航天器結構失效和破壞威脅， 也必須加以認真考量。 另外，FINCKENOR[25］和HOFZ[28］的工作中還提到了航天器所面臨的熱循環問題。 航天器在軌運行時反復穿越陽光照射和陰影區域， 會經歷大溫度跨度的熱循環過程。 因此設計相對應的熱控系統及熱管理策略則顯得尤為重要。 NASA 曾為1968 年開啟的Apollo 應用項目（Apollo Application （AA） Program） 提出了三類實驗（地球相關數據收集、 與外層空間環境有關的實驗、 探索永久載人空間站和星際飛行能力的基礎實驗） 作為未來拓展空間飛行范圍和延長任務時間的重要準備工作。 另一方面， 宇宙空間廣袤無垠， 空間環境變量的估計也不應一成不變[32］。 實際上， 僅就地球周圍低、 中、 同步軌道而言， 也可明顯看出主要環境影響因素的變化， 如圖2 所示[33］。 從圖2 中可以發現， 除一些普遍性存在的問題如太陽光照和真空外， 隨軌道高度的升高， 差異性變量經歷了原子氧、范-艾倫帶到太陽耀斑的變化。 不僅如此， 即使單純討論空間輻射強度問題， 在范-艾倫帶內、 外運行的航天器也面臨比低地球軌道運行的航天器更高的輻射水平[25］。

圖2 空間環境隨軌道高度的變化情況[33］Fig.2 Space environment vary with orbit height[33］

表1 空間環境的主要變量及影響[32］Table 1 Main variables and influences of space environment[32］

綜合以上內容， 對空間環境影響進行量化， 一方面應考慮輻射、 真空、 熱循環等環境參數， 另一方面也應充分關注環境變量水平隨空間位置不同而產生的巨大差異。 這需要進行大量的數據測量、 收集工作，并開展相對應的環境實驗。 地面觀測站和現有儀器受到地球大氣層的影響， 會產生不必要的背景噪聲和其他污染。 NASA 曾開發的用于環境預測的基本分析工具， 以及用于環境描繪和性能驗證的測量系統[34］或可作為借鑒， 以便于能夠更好地了解自然環境和人造微環境對空間探索的影響。

最后， 環境因素的影響還應考慮航天器的任務周期問題。 航天器的任務期可以分為4 個不同的階段：發射前的地面操作階段、 發射階段、 返回再入地球大氣層階段和空間操作階段。 表2 列出了各個階段的環境特點， 并對可能出現的問題進行了舉例[35］。 在進行空間裝備設計時， 應充分考慮整個任務期內航天器所處的環境變化， 以便于選擇具有充分環境適應性和性能可靠性的結構和材料。

表2 航天器的4 個任務階段及特點[35］Table 2 Four phases and related characteristics of spacecraft mission[35］

在外太空環境中， 空間裝備面臨的首要威脅就是泄漏問題， 故實現積極可靠的密封對航天任務的成功至關重要。 而密封策略的選擇需要重點考慮真空、 溫度和輻射對環境的影響， 同時兼顧航天器在不同任務期內面臨的環境變化情況， 根據航天器要求的任務范圍針對性設計相適應的潤滑／密封策略。 未來， 空間裝備承載性能的增長是大勢所趨， 大型、 超大型空間結構在太空環境下的組裝和發射任務要求更高推力的運載工具及更大承載能力的空間操作和運輸裝備。 承載力的大幅提升嚴重考驗機械結構的潤滑能力， 特別是在惡劣的空間環境下， 潤滑／密封失效將導致難以估量的后果。 一個典型的因潤滑設計不足出現問題的實際案例， 是國際空間站上的太陽阿爾法旋轉接頭（Solar Alpha Rotary Joint， SARJ） 失效事件。 國際空間站上的SARJ 用于支撐太陽能電池陣列進行姿態旋轉以便于實現最大程度地接收光照， 在任務過程中，滾動表面的氮化物涂層發生剝落， 大量碎片和顆粒出現在空間站右舷SARJ 處， 相對左舷導致了額外的振動和動力消耗。 此次故障導致的相應潤滑系統的清理和復位工作， 需要宇航員進行3 次以上的太空行走才能完成。 該事件引起了人們對航天器污染敏感表面的大面積開放表面潤滑問題的關切， 解決該問題除了使用新型潤滑劑外， 還應從系統層面對摩擦行為和潤滑狀態（臨界潤滑、 乏油潤滑等） 進行更加充 分 的 了 解[25］。 HUANG 和WANG[35］對 基 于Neuringer-Rosensweig、 Shliomis 和Jenkins 三種流動模型的磁性液體潤滑理論進行了分析討論， 提出磁性液體潤滑軸承是空間微重力環境下的最佳選擇； 另外磁性陣列表面結構及離子液體基磁性液體憑借其突出性能， 也展示出良好的應用前景。 HU 等[36］介紹了一種由磁性液體密封環封閉的氣墊和磁性液體環聯合承壓機制， 所提供的液-氣支撐可有效降低摩擦、 改善“冷焊” 和“黏滑” 現象， 對發展精密滑動機械有重要意義。 URRETA 等[37］探討了使用鐵磁流體實現高精度主軸密封的可行性， 并對所提模型的有效性進行了實驗驗證。

以上研究為發展空間環境下的磁性液體潤滑密封提供了參考借鑒。 磁性液體作為空間裝備潤滑劑的一大亮點是其卓越的自修復性。 LEUNG 等[30］對不同基液、 不同磁性顆粒濃度的磁性液體在邊界潤滑狀態下的流變特性和摩擦學效應進行了細致的試驗分析， 發現了磁性液體的自修復機制， 證明了磁性顆粒可以通過填充潤滑表面磨損處減小有效表面粗糙度， 實現潤滑自修復目的。 LAMPAERT[18］在總結磁性液體潤滑／密封進展時也提到了相似的現象， 表達了這一奇妙的材料特性對解決系統壽命限制的良好預期。

在航天設備的密封問題上， 公開資料中所提及的航天器常用密封手段有O 形環密封、 金屬密封、 發泡樹脂、 煙火成型、 焊接密封和磁性密封等[32］。 其中磁性液體旋轉密封的磁控特性使其能夠擺脫宇宙失重影響， 長期保持高精度、 易調控的工作狀態， 相較傳統密封手段具有低摩擦磨損、 零泄漏、 無污染、 自修復和長壽命等巨大優勢。 磁性液體潤滑／密封結構簡單， 組裝、 脫離靈活性強， 可有效解決空間潤滑／密封結構工作壽命長、 日常維護難的問題， 尤其是在小尺度密封問題上具有天然優勢。 李德才和錢樂平[38］開發的高速磁性液體旋轉密封可在30 m／s 的線速度下保持良好的密封能力， 大幅提高了磁性液體旋轉密封線速度， 成功解決了20 kW 航天電機的高速密封問題； 其團隊針對極端環境下的維修維護難題所開發的分瓣式磁性液體旋轉密封， 使大型裝備的密封拆裝時間縮短為原來的1／5， 成功解決了軍用雷達、 反應釜等關鍵裝備的密封難題， 在行業內得到了廣泛應用。

目前磁性液體在空間裝備潤滑／密封領域取得了一定進展， 但磁性液體獨有的卓越機械性能還未得到充分發揮， 依然存在較大的提升空間。 下文將就空間環境影響中較為嚴峻的高真空、 高輻射和高低溫熱循環三類變量分別介紹特殊環境下的磁性液體密封／潤滑研究進展， 討論磁性液體用于空間潤滑／密封問題的可行性。

2 高真空和超高真空

高真空是空間潤滑／密封技術面臨的第一道挑戰。地球海平面的真空度為1.013 kPa）， 隨軌道高度逐漸增大， 真空度急劇減小， 很快進入高真空狀態（0.133～1×10-6Pa）； 近地軌道（200～700 km） 真空度范圍為10-4～10-10Pa[39］， 屬于超高真空狀態（10-6～10-10Pa）； 而同步軌道（高度約3 580 km） 的真空度可達10-13Pa[33］， 進入極高真空狀態。 高真空環境下， 材料蒸發性大大增強， 屆時將面臨大量潛在的不良影響， 如材料中的揮發性成分蒸發， 通過航天器周圍的真空遷移容易導致太陽能電池板、 傳感器、 光學組件等污染敏感系統的功能不良[1］； 蒸發致使傳統潤滑劑薄膜和可充當潤滑劑的吸附氣體層消失， 大幅增加軸承和滑動表面的摩擦[39］。 因而對于真空環境的潤滑問題需要采取特殊的設計方案。

在空間站、 地外基地等太空宜居設施建設問題中， 一個關鍵點是在工作環境和空間真空環境之間實現零泄漏或至少限制泄漏， 避免溫度損失、 輻射及微生物污染； 同時還需要使結構具有一定的靈活性， 以便于進行必要的其他任務模塊的對接和脫離， 如空間站部分艙段的組裝和在太空發射用于星際航行的飛行器等任務。 理想的真空密封材料需要滿足低黏性、 高表面張力（≥0.5 N／m）、 低蒸汽壓（25 ℃下＜10-10N／m2）、 低熔點（-50 ℃） 以及適合軸和殼體金屬的“潤濕” 特性。 另外真空環境下的密封材料還應盡可能久地保持密封面兩側的高壓差， 實現裝備的長壽命和長期可靠性[28］。

高真空條件要求潤滑／密封材料具備盡可能低的飽和蒸汽壓， 可以通過改變磁性液體配方尋找符合要求的磁性液體。 LI 和RAJ[40］報道了烴基和氟碳基磁性液體在4 種不同真空度下的測試結果， 發現真空蒸發速率明顯高于大氣條件下的蒸發速率， 并通過修正Langmuir 方程對這一現象進行了理論解釋。 五環聚苯醚、 甲苯硅油和二酯類物質[13］均具有相對較低的飽和蒸汽壓， 可用作真空環境下的磁性液體基液。BLACK 等[41］對一種全氟聚醚（PFPE- Perfluoropolyether） 基磁性液體進了表征， 研究表明， 該種磁性液體在真空環境下放置1 h 后蒸汽壓約為4×10-8Pa，5 h 后達到4×10-9Pa， 450 h 后達到4×10-10Pa， 在高溫和磁場的聯合作用下所使用的磁性液體具有低揮發性、 長壽命和穩定性， 十分適合用于超高真空密封。離子液體基的磁性液體是航天用液體潤滑劑的另一有力備選材料之一。 離子液體是完全由離子組成的物質， 相較于傳統載液， 其蒸汽壓和可燃性均可忽略不計， 具有相當的穩定性， 且其性質（黏度、 溶解度、熔點等） 可以通過多種類的離子組成方便地進行調節。 部分離子液體還展現出特殊的對永磁鐵的磁響應特性， 如圖3 所示[42-43］。 因此離子液體極為適合在極端物理化學條件下的設備中發揮作用， 特別是作為載體在制備太空裝備用磁性液體方面具有良好的發展潛力[42-44］。 GUERRERO-SANCHEZ 等[44］和OLIVEIRA等[45］研究了一系列離子液體增強磁性液體的穩定性，結果表明， 將離子液體作為載液可在不使用分散穩定劑的情況下實現磁性納米顆粒的有效分散， 從而有望制備出具有高穩定性的磁性液體。 其中OLIVEIRA等[45］還證明了所研究的離子基磁性液體對于高真空環境和低溫環境（如-80 ℃） 的適用性， 進一步驗證了離子液體基的磁性液體作為新型空間極端工況潤滑劑的可行性。

圖3 [HexMeIm］3 [Dy （SCN）6 （H2O）2］ 對釹磁鐵的響應[42-43］Fig.3 Response of [HexMelm］3 [Dy （SCN）6 （H2O）2］ to a neodymium magnet[42-43］

氟碳基及離子液體基磁性液體是高真空環境中最具應用潛力的磁性液體。 采用該離子液體基磁性液體， 單平和湯林軍[46］發明了一種實心軸雙法蘭重載磁流體密封結構， 可實現10-6Pa 的真空承載力， He泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 最大承載力可達24.5 N／cm， 相關技術指標見表3； 該團隊發明的另一種基于高飽和磁化強度（0.74 T） 磁性液體的耐高壓磁性液體旋轉密封結構， 單個極齒耐壓能力可達到0.112 MPa， 真空壓力可達10-6Pa， 泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 適用溫度為0 ～200 ℃， 一次注入磁性液體密封壽命達10 年以上[38］， 為進一步研發適用于太空高真空極端環境的磁性液體潤滑／密封結構提供了極具價格的參考。 此外， 陳燕[47］以耐壓值≥0.1 MPa， 壽命≥25 年為設計要求， 為空間站蒸汽壓縮蒸餾裝置設計了磁性液體密封方案， 并通過有限元分析和耐壓計算驗證了設計的合理性。

表3 一種實心軸雙法蘭重載磁流體密封技術指標[46］Table 3 The technical indicators of solid shaft double flanges overloaded magnetic fluid seal[46］

3 高輻射

復雜的輻射效應是空間任務需要解決的另一大難題。 空間輻射的來源有宇宙射線、 范-艾倫帶、 太陽耀斑、 極光和人造結構等， 圖4 中示意性地表示了地球周圍空間的輻射來源以及地球周圍的范-艾倫輻射帶； 表4 中對部分輻射源進行了量化描述。 可以看出， 太空輻射來源復雜， 輻射強度大且分布不均，范-艾倫輻射帶的存在更是很大程度上限制了空間飛行器繞地飛行的活動范圍。 外太空的高輻射環境不僅會對空間系統內的生物體產生致命威脅， 同時也會損傷飛行器， 導致設備故障等一系列不良影響。 因此有必要設定空間裝備的輻射許用標準并制定對應的保護措施。 表5 中給出了部分材料的輻射破壞閾值[32］。可以看出陶瓷和金屬類材料的耐輻射強度較高（109J／kg）， 有機物次之（104～106J／kg）， 晶體管對輻射最為敏感。

表5 部分材料的臨界輻射劑量[32］Table 5 Critical radiation dose of some materials[32］

圖4 地球周圍的空間輻射源Fig.4 Space radiation source： （a） types of pace radiation； （b） Van-Allen radiation belt

表4 空間環境中的輻射因素Table 4 Radiations in space environment

空間飛行器在軌工作時間長， 經年累積的輻射量足以對裝備結構造成嚴重破壞。 空間高輻射條件下，潤滑介質穩定性難以長期保持； 同時受高溫和高輻射影響， 還容易出現因蒸發或潛變而導致的衰敗； 另外潤滑部件通常會經歷嚴重的邊界潤滑狀態， 也是潤滑設計中一個不可忽視的問題。 故急需開發有效的新型潤滑劑作為抗磨劑來延長這些部件的壽命。 目前空間中常用的液體潤滑劑有全氟聚醚、 多烷基化環戊烷（MAC - Polyalkylated Cyclopentane） 和 聚 α 烯 烴（PAO-Polyalphaolefin） 等， 常用的固體潤滑劑包括二硫化鉬、 二硫化鎢、 二硒化鈮、 石墨、 銀、 聚四氟乙烯和尼龍等[25］。 考慮輻射效應對航天器材料的影響時， 就最廣泛使用的金屬、 金屬化合物以及多聚物而言， 有兩個問題需要特別關注。 一是常規多聚物和有機物材料對空間輻射直接接觸敏感， 容易導致材料因變性而失效， 無法滿足空間任務長壽命、 少維護的設計原則。 有機硅、 苯乙烯-丁二烯、 異戊二烯和天然橡膠等雖然表現出良好的真空性能， 但無法良好地應對強烈、 復雜的宇宙輻射， 不是最佳的材料選擇。另一方面， 空間輻射和真空雖然無法對金屬、 合金及其氧化物造成明顯影響， 但可能會出現材料剝落形式的破壞， 這使得金屬密封、 焊接密封的可靠性受到了質疑。 相較之下， 磁性液體潤滑／密封是解決這一問題的良好方案。 區別于其他潤滑劑和密封介質， 磁性液體主要由磁性納米粒子、 表面活性劑和基載液組成， 磁性納米粒子被合適的表面活性劑包覆后， 可分散在基載液中形成極為穩定的膠體體系， 可以保持長期穩定性。 雖然磁性液體也存在一定程度的因輻射導致的潛變問題， 但可以通過調控化學組成（載液和添加劑等）、 制備參數及其他相關條件進行改善。 表6 給出了部分材料的輻射降解閾值[28］， 可以看出磁流體密封的耐輻射值要遠高于常用的O 形圈密封和V形環密封， 而與迷宮密封的耐輻射強度相當， 耐輻射性能優異。 如李德才團隊[38］開發的基于全氟聚醚酸表面活性劑的全氟聚醚油基磁性液體， 表現出優良的密封性能， 實際測得該磁性液體旋轉密封在放射性活度為3.75×1011Bq 的強輻射環境下的泄漏率低于1×10-12Pa·m3／s， 達到零泄漏標準， 具有高度穩定性。

表6 部分密封結構指標[28］Table 6 Properties of some seal schemes[28］

4 高低溫／熱循環

發展空間磁性液體潤滑／密封還需要考慮宇宙空間的極端溫度。 外太空飛行器設計服役期長， 任務活動范圍廣， 航天器在軌運行時反復穿越光照和陰影區域， 會經歷頻繁而強烈的熱循環。 有數據顯示， 在地球同步軌道上的一項為期30 年的飛行任務中， 航天器直接暴露于太陽光和黑暗中的表面經歷了超過104次的溫度循環[1］。 高低溫熱循環會導致材料出現剝落、 龜裂、 分層和其他機械問題， 尤其是在熱膨脹系數不一致的組件中[25］。 另外熱循環問題還與航天器姿態、 組件熱光學特性、 工作散熱情況息息相關。 具體而言， 航天器熱循環主要受到五類因素影響， 即：（1） 貫穿整個任務期的光照強度； （2） 航天器部件相對航天器的位置 （是否進行主動溫控或依賴太陽）； （3） 是否進行加熱及加熱方式； （4） 是否在輔助推進發動機附近； （5） 航天器本身影響熱傳導和熱輻射的外形因素[28］， 太陽光吸收率及紅外發射率等[25］。 由于進行主動溫度控制會增加能量載荷（需增加電池容量、 太陽能帆板尺寸或更大的放射性同位素熱發生器等）， 從而增加航天器質量， 降低系統可靠性[28］。 鑒于此， 尋找高耐溫疲勞性的材料， 設計相對應的熱控系統及熱管理策略就顯得尤為重要。

1972 年， HOFZ[28］介紹了用于方向和定位控制的外部空間旋轉式制動器軸密封技術， 設計要求致動器必須具備在149 ℃以上的溫度域內正常工作和非任務期短途漂浮的能力， 其中軸密封和潤滑問題正是制約致動器工作和生存溫度范圍的主要因素之一。 傳統O形圈密封性能優良， 然而對輻射、 寬溫域熱循環耐受性較差， 故需要尋找更加可靠的潤滑／密封技術。HOFZ[28］考察了3 種類型的致動器及備選密封方式，見表7， 最終確定各制動器的潤滑／密封方案。 一般而言， 非接觸式密封摩擦磨損程度較低， 因而具有相對更長的循環壽命。 磁性液體密封作為一種非接觸式密封， 可以達到氣密封的泄漏要求， 在低溫下發生凍結時依然能保持其密封完整性， 同時解凍后不影響正常工作性能， 因此磁性液體經常用于真空室間的連接密封。

表7 軸密封初步候選方案[28］Table 7 Preliminary candidate shaft seals[28］

雖然磁性液體密封需要進一步測試和評估其在高低溫循環下的運行可靠性和壽命， 但依然可作為高扭矩旋轉軸致動器的候選密封方式[28］。 在寬溫域適用的磁性液體開發方面， 全氟醚基磁性液體[48-50］是一種當前較為理想的方案， 該磁性液體可在-70 ～200℃溫度區間內正常工作。 除此之外， 研究人員開發的寬溫域磁性液體還包括-10～90 ℃溫度范圍的高承載力磁性液體[46］、 0～200 ℃溫度范圍的耐高壓磁性液體[38］等。

除溫度變化外， 寬溫域高低溫循環所產生的影響還包括潤滑劑啟動力矩的變化。 早期研究曾認為， 制約磁性液體應用于空間設備密封結構的因素在于磁性液體密封受溫度的影響較大， 在溫度較高 （＞149℃） 時， 磁性液體揮發率大幅升高； 而溫度較低時，磁性液體則表現出黏性阻力， 導致啟動力矩比工作力矩增大數倍以上。 陳燕[47］從理論和實驗角度探討了溫度對磁性液體潤滑啟動力矩的影響， 發現在25 ℃以上， 磁性液體潤滑的起動轉矩變化不明顯； 但隨溫度緩慢降低， 啟動力矩不斷增大。 程艷紅等[51］從顆粒團聚和剪切稀化等微觀影響機制等方面進行了分析， 表明磁黏效應是啟動力矩改變的本質原因。 而除了開發具有低啟動力矩的磁性液體， 也可考慮通過在設備停車期間間歇性激活密封， 以電磁鐵代替永磁體在靜置期設置感應交變磁場等方式[52］， 達到降低設備啟動力矩的目的。

5 結論

磁性液體在早期的航天任務中發揮了重要作用，隨著相關研究工作的不斷深入新和完善， 磁性液體用于極端工況特別是航天器潤滑／密封的可行性不斷增強。 目前， 國內外對常規工況下磁性液體潤滑／密封問題的研究已取得豐碩成果， 但極端環境下尤其是航天用磁性液體潤滑／密封理論研究仍極為缺乏。 然而在高性能磁性液體開發方面， 已研發出一些性能優良的磁性液體， 可作為航天用潤滑／密封介質的備選方案， 如離子液體基磁流體、 全氟聚醚油基磁性液體等。

未來， 針對空間環境下的磁性液體潤滑／密封問題， 值得重點關注的研究方向有以下幾點：

（1） 需要制定規范通用的地外空間環境量化標準， 以便于為空間潤滑／密封設計建立可靠的環境影響分析模型。

（2） 開發適用于真空失重、 高輻射、 高低溫等極端環境的潤滑／密封用磁性液體， 研究其制備工藝及對應的性能調控方法。

（3） 開展極端工況下磁性液體的潤滑／密封理論研究， 加強配套的多物理場磁性液體仿真和軟件開發。

整體來看， 磁性液體應用于空間環境下航天器潤滑／密封前景廣闊， 可以預見一旦通過充分的可靠性測試， 磁性液體大規模應用于航天工業， 將帶來巨大的經濟效益。