空间摩擦学研究的前沿领域.pdf

1、第 17 卷 第 4 期 摩 擦 学 学 报 V o l 17, N o 41997 年 12 月 TR IBOLO GY D ec, 1997评 述 与 进 展 (380 384)空 间 摩 擦 学 研 究 的 前 沿 领 域 3于 德 洋 薛 群 基(中 国 科 学 院 兰 州 化 学 物 理 研 究 所 固 体 润 滑 开 放 研 究 实 验 室 兰 州 730000)摘 要 综 合 论 述 了 根 据 新 一 代 长 期 空 间 计 划 要 求 形 成 的 空 间 摩 擦 学 研 究 新 的 前 沿 领 域 : 大 幅 度延 长 摩 擦 学 系 统 的 寿 命 ; 提 高 可 靠 性

2、; 大 幅 度 降 低 摩 擦 力 矩 及 力 矩 噪 声 ; 在 间 歇 运 行 条 件 下 的 润滑 和 防 止 真 空 冷 焊 ; 在 极 端 (低 温 、 高 温 、 高 速 和 重 载 等 ) 条 件 下 的 摩 擦 学 . 归 纳 提 出 了 进 行 这 些前 沿 研 究 需 要 采 取 的 主 要 技 术 途 径 , 即 立 足 于 现 有 基 础 研 究 解 决 航 天 工 程 上 的 重 点 摩 擦 学 问题 , 加 强 空 间 摩 擦 学 的 探 索 性 研 究 以 发 现 或 发 展 新 的 备 用 润 滑 剂 和 新 技 术 , 满 足 新 的 更 高 要 求 .关 键

3、 词 空 间 计 划 空 间 摩 擦 学 空 间 机 械 润 滑 真 空 冷 焊分 类 号 V 1空 间 摩 擦 学 是 摩 擦 学 的 重 要 分 支 学 科 之 一 , 其 重 要 性 越 来 越 被 各 国 航 天 界 和 摩 擦 学 界所 认 识 , 因 而 30 多 年 中 的 发 展 日 趋 加 快 , 目 前 已 经 达 到 较 高 的 成 熟 程 度 1 . 近 年 来 , 随 着 空间 技 术 的 迅 速 发 展 , 其 实 用 化 和 商 业 化 的 程 度 越 来 越 高 . 因 此 , 新 一 代 长 期 空 间 计 划 对 空 间摩 擦 学 提 出 了 新 的 要 求

4、 , 从 而 形 成 了 新 的 前 沿 研 究 领 域 . 作 者 结 合 有 代 表 性 的 空 间 计 划 综 述了 空 间 摩 擦 学 研 究 的 前 沿 研 究 课 题 , 并 阐 述 了 进 行 这 些 前 沿 研 究 需 要 采 取 的 主 要 技 术 途 径 .1 新 一 代 空 间 科 学 计 划 与 前 沿 课 题1. 1 科 学 计 划空 间 科 学 计 划 主 要 包 括 太 阳 和 地 球 物 理 、 高 通 量 X 射 线 光 谱 学 、 亚 毫 米 波 天 文 学 和 行星 探 测 等 . 因 为 在 微 重 力 条 件 下 精 密 光 机 电 设 备 对 机 械

5、 扰 动 非 常 敏 感 , 所 以 摩 擦 副 必 须 具 有超 低 的 摩 擦 因 数 (或 摩 擦 力 矩 )且 其 波 动 (摩 擦 噪 声 )很 小 , 才 能 够 有 效 地 进 行 这 些 科 学 实 验 .1. 2 空 间 站 和 运 载 工 具1. 2. 1 空 间 站空 间 站 的 计 划 寿 命 长 达 30 年 (普 通 航 天 器 的 大 都 在 10 年 以 下 ) , 这 就 要 求 其 对 摩 零 部件 的 摩 擦 学 性 能 优 异 , 而 且 这 些 零 部 件 都 可 以 维 修 并 重 复 使 用 . 由 于 对 接 机 构 长 期 暴 露 于 空间 环

6、 境 , 对 真 空 、 失 重 、 辐 照 和 原 子 氧 侵 蚀 2, 3 的 长 期 效 应 都 需 要 进 行 深 入 系 统 的 考 察 , 其 中电 插 接 件 、 流 体 连 接 器 及 密 封 件 等 多 次 接 合 与 脱 开 , 故 其 偶 件 都 需 要 可 靠 的 润 滑 , 并 且 必 须在 相 应 的 空 间 条 件 下 进 行 考 察 . 空 间 站 和 极 地 平 台 的 巨 大 太 阳 能 电 池 阵 的 驱 动 机 构 及 展 开和 收 缩 机 构 、 高 功 率 电 刷 2滑 环 和 特 大 直 径 轴 承 等 , 都 应 当 保 证 可 靠 的 润 滑

7、并 防 止 真 空 冷 焊 .3 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 1996204214 收 到 初 搞 , 1997206218 收 到 修 改 稿 本 文 通 讯 联 系 人 于 德 洋 .于 德 洋 简 介 内 容 见 本 刊 1997 年 第 2 期 第 178 页 .薛 群 基 中 国 工 程 院 院 士 , 其 它 简 介 内 容 见 本 刊 1997 年 第 1 期 第 1 页 .1. 2. 2 先 进 的 运 载 工 具先 进 的 运 载 工 具 主 要 包 括 火 箭 发 动 机 、 宇 宙 飞 船 和 航 天 飞 机 , 它 们 支 撑 着 整 个 空 间 计

8、 划的 实 施 . 其 中 , 在 超 低 温 和 强 活 性 环 境 中 重 载 、 高 速 轴 承 的 润 滑 , 以 及 在 高 压 下 从 超 低 温 至 高温 的 密 封 (动 、 静 )都 是 关 键 技 术 .1. 3 地 球 观 测1. 3. 1 地 球 资 源 卫 星合 成 孔 径 雷 达 天 线 长 11 m 以 上 , 要 求 它 的 铰 链 处 于 超 低 摩 擦 , 且 其 展 开 速 度 很 低 , 因而 必 须 采 用 固 体 薄 膜 润 滑 , 并 确 保 系 统 能 够 承 受 发 射 过 程 中 的 强 烈 振 动 和 冲 击 过 载 . 因 为天 线 太

9、大 很 难 进 行 地 面 真 空 试 验 , 而 目 前 使 用 的 润 滑 薄 膜 在 大 气 中 的 润 滑 性 能 一 般 都 差 , 所以 需 要 研 制 在 真 空 和 大 气 等 不 同 环 境 中 都 具 有 优 异 摩 擦 学 性 能 的 润 滑 薄 膜 , 以 便 充 分 而 系统 地 完 成 地 面 模 拟 试 验 .1. 3. 2 第 二 代 气 象 卫 星在 保 证 超 低 摩 擦 、 低 摩 擦 噪 声 和 提 高 工 作 速 度 的 前 提 下 , 实 现 长 寿 命 (约 10 年 ).1. 4 其 它1. 4. 1 空 间 机 械 臂 和 空 间 机 器 人空

10、 间 机 械 臂 和 空 间 机 器 人 都 长 期 暴 露 在 空 间 环 境 中 从 事 维 修 和 伺 服 等 工 作 . 其 中 , 大 量采 用 的 谐 波 齿 轮 传 动 减 速 器 (简 称 谐 波 减 速 器 )的 动 作 必 须 平 稳 、 可 靠 , 而 且 应 当 能 够 承 受 大的 惯 性 载 荷 并 具 有 长 寿 命 . 这 就 需 要 实 现 谐 波 减 速 器 良 好 的 固 体 润 滑 , 并 对 其 在 空 间 条 件 下的 实 用 性 能 进 行 严 格 考 察 .1. 4. 2 远 程 通 讯 用 中 继 卫 星 和 有 效 载 荷 及 航 天 器 的

11、 发 展 与 试 验 计 划能 定 向 和 跟 踪 的 可 展 开 天 线 很 大 (直 径 大 于 5 m ) , 需 要 对 其 谐 波 减 速 器 和 定 向 机 构 的固 体 润 滑 系 统 进 行 优 化 设 计 与 施 工 , 使 之 能 够 承 受 大 的 惯 性 载 荷 并 具 有 长 寿 命 , 同 时 还 要 解决 与 上 述 大 型 太 阳 能 电 池 阵 和 雷 达 天 线 类 似 的 其 它 技 术 问 题 . 由 于 在 失 重 条 件 下 生 长 无 缺陷 的 晶 体 , 以 及 激 光 通 讯 和 定 向 机 构 等 都 需 要 长 时 间 保 持 无 振 动

12、操 作 , 因 而 必 须 使 其 光 机 电运 动 部 件 具 有 超 低 的 摩 擦 和 摩 擦 噪 声 .2 空 间 摩 擦 学 前 沿 研 究 的 主 要 技 术 途 径2. 1 主 要 技 术 途 径 概 述解 决 空 间 摩 擦 学 问 题 的 主 要 技 术 途 径 如 图 11 所 示 . 目 前 , 已 经 得 到 应 用 的 主 要 空 间 润滑 技 术 有 : 球 轴 承 内 外 圈 采 用 物 理 气 相 沉 积 (PVD )M oS2 或 Pb 的 固 体 润 滑 薄 膜 (以 塑 料基 自 润 滑 复 合 材 料 或 铅 青 铜 作 保 持 器 ) , 其 应 用

13、面 占 现 有 空 间 机 械 用 球 轴 承 的 90% 以上 1, 4 , 其 典 型 寿 命 试 验 结 果 如 图 2 所 示 . 可 以 看 出 , 在 轴 承 内 外 圈 均 以 M oS2 薄 膜 润 滑 的 情况 下 , 用 自 润 滑 复 合 材 料 如 聚 四 氟 乙 烯 (PT FE) 基 复 合 材 料 保 持 器 时 的 球 轴 承 寿 命 比 用钢 保 持 器 时 的 高 100 倍 , 但 其 摩 擦 力 矩 却 明 显 增 大 (增 幅 约 80% ). 尽 管 如 此 , 但 毕 竟 对 人 们改 进 这 类 材 料 配 伍 并 进 行 深 入 系 统 的 机

14、 理 研 究 指 出 了 方 向 ; 用 气 相 沉 积 T iC 或 T iN 配以 M oS2 基 自 润 滑 薄 膜 进 行 表 面 处 理 , 或 用 低 蒸 汽 压 的 油 或 脂 以 贮 油 器 和 防 爬 壁 的 形 式 进行 润 滑 , 均 可 延 长 轴 承 或 齿 轮 的 工 作 寿 命 ; 将 塑 料 基 与 金 属 基 自 润 滑 复 合 材 料 组 合 配 对用 于 齿 轮 副 、 滑 动 轴 承 或 球 形 连 接 器 以 实 现 润 滑 ; 将 A g2M oS2 基 自 润 滑 复 合 材 料 制 作 成电 接 触 摩 擦 副 的 一 方 (如 电 刷 或 触

15、点 )可 防 止 真 空 冷 焊 .183第 4 期 于 德 洋 等 : 空 间 摩 擦 学 研 究 的 前 沿 领 域F ig 1 T he schem e of m ain technical pathw ays to so lving space tribo logy p roblem s图 1 解 决 空 间 摩 擦 学 问 题 的 主 要 技 术 途 径 示 意 图阿 里 亚 娜 2V 的 教 训 表 明 , 要 把 这 些 已 被 应 用 的 润 滑 技 术 用 于 新 产 品 , 都 还 必 需 通 过 严F ig 2 T est data of to rque and life

16、tim e fo r ball bearingsin so lid film lubricants图 2 固 体 薄 膜 润 滑 球 轴 承 的 力 矩 和 寿 命 的 试 验 结 果格 的 模 拟 试 验 考 核 , 即 在 模 拟 空 间 条件 下 , 以 热 真 空 试 验 考 察 润 滑 系 统 的行 为 和 性 能 , 以 对 其 作 进 一 步 的 改 进 .2. 2 空 间 摩 擦 学 前 沿 研 究 的 重 点在 空 间 摩 擦 学 新 的 前 沿 研 究 领 域中 , 突 出 的 问 题 是 目 前 还 缺 少 摩 擦 副在 超 低 温 、 重 载 和 高 速 等 苛 刻 条

17、 件 下的 有 关 数 据 : 塑 料 或 金 属 基 复 合材 料 和 固 体 薄 膜 润 滑 剂 的 摩 擦 因 数 和磨 损 率 5 ; 各 种 典 型 的 摩 擦 学 系 统的 磨 损 动 力 学 、 摩 擦 化 学 和 摩 擦 学 行为 ; 各 种 实 际 摩 擦 副 工 作 表 面 破坏 的 识 别 方 法 , 以 及 工 况 和 环 境 参 数对 其 摩 擦 学 特 性 的 影 响 5, 6 ; 点 接触 的 导 热 率 1 . 这 些 都 是 进 行 空 间 摩擦 学 前 沿 研 究 应 当 加 强 的 重 点 .在 空 间 摩 擦 学 领 域 , 重 要 的 是 所有 的 技

18、 术 都 必 须 通 过 实 验 考 核 , 即 使已 在 工 程 中 得 到 应 用 的 技 术 也 是 如此 . 这 是 由 于 工 况 或 环 境 条 件 的 微 小 变 化 都 可 能 对 摩 擦 学 性 能 产 生 很 大 的 影 响 6 . 例 如 , 发展 PVD M oS2 薄 膜 7 和 陶 瓷 薄 膜 , 经 过 各 种 实 验 考 察 充 分 证 明 后 再 应 用 于 空 间 轴 承 及 其 它产 品 . 一 般 地 说 , 空 间 机 械 按 组 件 级 完 成 真 空 寿 命 试 验 是 比 较 经 济 的 , 能 针 对 特 定 的 空 间 机械 要 求 提 供

19、切 实 的 试 验 结 果 , 还 能 对 其 在 轨 性 能 提 供 有 价 值 的 支 持 性 资 料 1, 4 . 当 然 , 在 各283 摩 擦 学 学 报 第 17 卷种 环 境 条 件 下 完 成 整 机 的 合 格 证 明 实 验 也 很 重 要 .2. 3 空 间 摩 擦 学 新 的 应 用 基 础 研 究 前 沿 领 域空 间 摩 擦 学 新 的 应 用 基 础 研 究 前 沿 领 域 主 要 有 : 研 制 在 高 速 ( n 40 k r m in)、 重 载( p 2 kN )、 超 低 温 (- 183 )、 宽 温 度 范 围 (- 183 253 ) 和 强 氧

20、 化 或 强 还 原 介 质 条 件下 轴 承 的 固 体 自 润 滑 系 统 , 以 应 用 于 经 多 次 起 2停 的 液 体 火 箭 发 动 机 涡 轮 泵 球 轴 承 , 要 求 累计 使 用 寿 命 不 低 于 1 107 r, 并 且 扩 大 应 用 于 陀 螺 和 飞 轮 ; 考 察 在 液 体 推 进 剂 或 液 氦 及高 温 800 以 上 环 境 中 轴 承 的 摩 擦 学 行 为 , 并 且 开 发 其 固 体 自 润 滑 系 统 , 以 探 索 应 用 于 火 箭发 动 机 和 深 层 空 间 仪 表 等 的 可 行 性 ; 合 成 层 状 化 合 物 基 和 金 属

21、 基 复 合 薄 膜 , 并 且 探 索 合成 它 们 的 纳 米 结 构 梯 度 复 合 多 层 薄 膜 , 考 察 其 摩 擦 副 的 性 能 及 配 伍 关 系 , 同 时 开 展 降 低 摩擦 及 摩 擦 噪 声 、 延 长 使 用 寿 命 和 改 善 耐 环 境 特 性 等 应 用 基 础 研 究 ; 研 制 谐 波 齿 轮 传 动副 、 螺 杆 2齿 轮 副 和 齿 轮 副 用 固 体 自 润 滑 系 统 , 并 且 探 索 其 应 用 于 空 间 机 器 人 和 自 动 化 仪 表的 可 行 性 ; 继 续 发 展 各 种 表 面 分 析 技 术 , 提 出 润 滑 失 效 准

22、则 和 改 进 途 径 , 开 展 建 立 轴 承性 能 计 算 模 型 的 可 行 性 研 究 ; 研 制 并 优 化 组 合 电 刷 2滑 环 副 , 改 进 电 机 的 电 刷 并 开 展 其 在空 间 环 境 中 的 摩 擦 学 研 究 , 以 用 于 大 功 率 传 输 和 信 号 传 输 系 统 ; 考 察 陶 瓷 材 料 与 润 滑 剂薄 膜 摩 擦 副 的 摩 擦 学 行 为 及 配 伍 的 应 用 基 础 研 究 ; 研 制 新 型 润 滑 油 或 脂 及 其 存 贮 器 , 建立 数 据 库 , 以 扩 大 油 或 脂 在 空 间 摩 擦 学 领 域 的 应 用 范 围 .

23、3 展 望作 者 认 为 , 一 种 “ 完 美 ” 而 “ 通 用 ” 可 以 解 决 所 有 摩 擦 学 问 题 的 润 滑 剂 是 没 有 的 , 相 反 , 在已 有 的 研 究 工 作 的 基 础 上 , 根 据 不 同 的 工 程 实 际 要 求 , 针 对 性 地 研 究 和 发 展 润 滑 剂 和 新 技术 才 是 解 决 问 题 的 可 行 途 径 . 例 如 , 若 能 在 空 间 环 境 中 生 产 出 高 纯 材 料 和 原 位 制 备 润 滑 剂薄 膜 , 则 有 可 能 导 致 空 间 润 滑 的 突 破 ; 磁 悬 浮 轴 承 因 在 运 转 期 间 工 作 面

24、互 不 接 触 而 被 视 为理 想 的 摩 擦 学 系 统 , 但 仍 需 要 对 其 在 起 2停 时 提 供 可 靠 的 薄 膜 润 滑 ; 对 于 电 接 触 材 料 , 若 能利 用 空 间 低 温 环 境 而 不 使 用 复 杂 的 低 温 控 制 装 置 , 发 展 具 有 良 好 润 滑 性 能 的 高 温 超 导 材料 , 则 可 能 比 较 容 易 实 现 对 其 结 构 和 性 能 的 突 破 性 改 进 .在 新 材 料 领 域 , 随 时 可 能 出 现 性 能 优 异 的 新 品 种 , 但 不 能 过 早 地 承 诺 其 适 用 于 空 间 摩擦 学 系 统 .

25、例 如 , 碳 纤 维 增 强 塑 料 早 在 60 年 代 就 被 证 明 有 好 的 应 用 前 景 , 但 至 今 却 还 未 能得 到 真 正 的 应 用 . 近 年 来 , 陶 瓷 材 料 因 为 硬 度 高 使 真 实 接 触 面 积 小 而 降 低 摩 擦 , 是 一 种 很 受人 们 关 注 的 新 型 摩 擦 学 材 料 , 但 必 须 对 其 脆 性 和 对 热 交 变 的 适 应 性 进 行 深 入 研 究 .空 间 摩 擦 学 研 究 结 果 表 明 , 对 溅 射 M oS2 基 自 润 滑 固 体 薄 膜 与 PT FE 基 复 合 材 料 转 移薄 膜 、 溅 射

26、 M oS2 基 自 润 滑 固 体 薄 膜 与 陶 瓷 薄 膜 、 固 体 润 滑 剂 与 低 蒸 汽 压 液 体 润 滑 剂 进 行 优化 组 合 都 能 产 生 协 同 效 应 . 由 此 可 见 , 科 学 地 实 现 摩 擦 副 中 润 滑 剂 的 优 化 组 合 可 能 是 空 间 摩擦 学 前 沿 研 究 的 突 破 口 之 一 .总 之 , 目 前 空 间 摩 擦 学 的 前 沿 课 题 比 较 多 而 且 难 度 高 , 而 新 一 代 空 间 计 划 又 迫 切 需 要进 行 并 完 成 这 些 研 究 , 故 此 预 料 空 间 摩 擦 学 在 近 期 会 得 到 迅 速

27、 发 展 .参 考 文 献1 W yn2Roberts D. N ew frontiers fo r space tribo logy. T ribo l Inter, 1990, 23: 149 1552 W ei R , W ilbur P J, Buchho l B W et al. In situ tribo logical evaluation of greases and so lid lubricants in a sim ulated383第 4 期 于 德 洋 等 : 空 间 摩 擦 学 研 究 的 前 沿 领 域atom ic oxygen environm ent. T

28、ribo l T rans, 1995, 38: 950 9583 Kleim an J I, Iskanderova Z A , Perez F J et al. P ro tective coatings fo r L EO environm ents in spacecraft app lica2tions. Surf Coat T echno l, 1995, 76277: 827 8344 于 德 洋 , 翁 立 军 , 欧 阳 锦 林 . 空 间 机 械 润 滑 研 究 的 发 展 现 状 . 摩 擦 学 学 报 , 1996, 16 (1) : 89 965 Chase T J.

29、 W ear modes active in angular contact ball bearings operating in liquid oxygen environm ent of the spaceshuttle turbopump. L ubr Eng, 1993, 49: 313 3226 于 德 洋 , 翁 立 军 . 物 理 气 相 沉 积 减 摩 与 耐 磨 薄 膜 . 摩 擦 学 学 报 , 1996, 16 (3) : 282 2887 Yu D Y, W ang J A , O uyang J L. V ariations of p roperties of the

30、 M oS22L aF3 co sputtered and M oS22sputtered film safter sto rage in mo ist air. T h in So lid F ilm s, 1997, 293: 1 5Fron tiers for Space Tr ibology InvestigationYu D eyang Xue Q un ji(L aboratory of S olid L ubrication L anz hou Institu te of Chem ical P hy sicsthe Ch inese A cad em y of S cience

31、s L anz hou 730000 Ch ina)Abstract T he impo rtance of space tribo logy has been recogn ized and suppo rted bym any national space departm en ts. A s a m atter of fact th is discip line has reached a h igh de2gree of m atu rity. N evertheless, a new generation space p rogram b rings abou t new chal2

32、lenges to the direction of space tribo logy developm en t. N ew long2term space p rogram tobe perfo rm ed includes science, space station and tran spo rtation (expecially, long life p rob2lem of ball bearing at h igh speed and heavy load in liqu id oxygen o r hydrogen rocket2tu r2bopump , and dynam

33、ic static seal p rob lem of the tu rbopump system ) , earth ob servation(especially, second generation m eteo ro logy satellite) , payload and spacecraft developm en tand experim en tation p rogram. T he fron tiers of space tribo logy investigation and som etechn ical pathw ays to carry ou t the fro

34、n t investigation s are suggested. T he fron tiers in2clude greatly ex tending lifetim e of tribo logical system s, increasing reliab ility, low eringfriction to rque and to rque no ise, lub ricating under in term itten t operating condition s, andtribo logy under h igh speed, ex trem e temperatu re and heavy load condition s.Key words space p rogram space tribo logy space m echan ism s lub rication vacuumco ld2w eldingCla ssify ing num ber V 1483 摩 擦 学 学 报 第 17 卷