空间材料的颜色变化可能有助于远程测量退化

将研究十几种不同的材料样品,以评估太空暴露的影响,包括这种碳纤维增强聚合物 (CFRP)。 学分:肖恩麦克尼尔,GTRI

在接下来的六个月里,国际空间站 (ISS) 外部的摄像系统将拍摄十几种不同材料样本的照片,收集详细信息,帮助研究人员确定怎样以及为什么空间影响这些材料。 待研究的问题包括颜色变化,这可能表明暴露于太空环境引起的退化。

该研究的一个关键目标是将在低地球轨道 (LEO) 照射下发生的颜色变化与材料特性(如结构强度、化学成分和电导率)的变化相关联,以确定这些光谱怎样变化可能使科学家和工程师能够直观地评估恶化情况。 LEO 空间环境使材料暴露于原子氧、紫外线辐射和高能电子的破坏性影响。

“我们不仅想知道空间怎样影响材料,还想知道为什么会发生这种情况,”领导多组织研究团队的乔治亚理工学院 (GTRI) 高级研究工程师埃琳娜·普利斯 (Elena Plis) 说。 “例如,我们知道杜邦公司的一种常用材料——Kapton 聚酰亚胺薄膜,其在太空中的电导率会发生变化,但我们想知道为什么、怎样防止这种情况发生,或者怎样利用它来造福于我们。”

定期在可见光和红外光谱范围内拍摄材料将提供空间光学特性发生情况的动态记录,从而改进通常仅限于空间曝光前后测量的知识。 研究小组将广泛分析返回地球的材料,以更好地了解空间退化怎样影响其他材料特性,并将这些信息用于长期太空任务规划。

“我对空间材料造成的破坏动态感兴趣,”普利斯解释说。 “到目前为止,我们通常只有两个数据点来评估太空的影响:我们发射的原始材料,以及当材料返回时我们可以看到的累积效应。这个实验的独特之处在于让我们看到损害会随着时间的推移而发生。”

除了 GTRI,研究团队还包括来自空军研究实验室 (AFRL)、美国宇航局、德克萨斯大学埃尔帕索分校和杜邦公司的研究人员,杜邦公司是一家总部位于特拉华州威尔明顿的多行业公司。利用材料国际空间站实验( MISSE) Flight Facility,该研究还得到了 Aegis Aerospace Inc. 的支持,该公司拥有并运营安装在 ISS 上的 MISSE 平台。

分析实验获得的光谱数据还可以让观察者确定一块太空垃圾是来自轻质绝缘毯还是来自可能损坏轨道航天器的较重的电路板。 除了提供一种远程评估材料结构健康状况和评估空间碎片风险的新方法外,该实验还将帮助工程师评估可以为未来航天器设计者提供新选择的新型材料。

“例如,杜邦 Kapton HN 聚酰亚胺薄膜是一种自阿波罗任务以来一直使用的材料,这使其成为黄金标准,”普利斯说。 “但是还有更多的材料可以提供更好的性能,所以我们将看看其中一些例子是怎样受到空间的影响的。”

许多正在研究的材料用于保护航天器系统和机组人员免受轨道上发生的快速热变化的影响,以及破坏性的充电效应。 MISSE-16 材料选择包括不同类型的聚酰亚胺、液晶聚合物 (LCP)、多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS)、碳和玻璃纤维增​​强聚合物以及聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 聚酯薄膜。

这些样本使用机械臂安装在国际空间站的外部,并将在大约六个月内以同样的方式取回。 样品将被放置在国际空间站的三个不同面上,以优先暴露于原子氧、紫外线辐射和高能电子。 样品由 7 月 16 日发射的 SpaceX 龙货运飞船运送到国际空间站。

为了便于在轨道上进行长期观测,MISSE 试验台已经升级了摄像头和照明系统,以覆盖更广泛的光谱范围,包括红外线,这对于观察退化的某些方面很重要。 在 GTRI 主导的实验结束后,升级后的硬件仍将是 MISSE 仪器的一部分。

这些样品是一英寸见方的,预计将于明年春天返回地球。 将详细检查在太空中飞行的材料以了解降解情况,并与在实验室模拟太空条件下的相同样品进行比较。 总之,样品将接受 10 种不同的表征技术,包括原子力显微镜、反射和吸收率的光学表征,以及电荷转移的测量。

“我们将尝试将光学特性与表面变化和化学变化联系起来,”普利斯说。 “通过我们的地面实验,我们希望了解这些变化以及它们背后的物理原理。”

对于自 2015 年以来一直在研究太空暴露对材料的影响的 Plis 来说,将研究发射到太空是长达数年的应用和开发过程的结果。

“对我来说,推出这些材料是非常激动人心的,”她说。 “将我的研究发送到太空并从太空获取数据就像梦想成真。这是我第一个进入太空的项目,我希望还会有更多。”