从哥伦比亚号谈航天材料

特邀佳宾：刘松茂

哥伦比亚航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对航天材料的关注。为此，本刊特邀航天科工集团第二研究院研究员刘松茂给大家讲讲航天材料的特殊性。

材料的种类有很多，不同的材料有不同的用途，如何既经济又适用地选用材料是一门艰深的学问，这一点往往因人们的忽视或无知，带来许多灾难性的后果，如火箭爆炸、飞机坠毁、火车出轨、楼房倒塌……物毁人忘，损失无法估计。

什么是材料？

辞海中给材料下的定义是这样的：经过人类劳动取得的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料如钢材水泥等称作材料。而材料专家们则这么说：材料是人类进化与文明的重要里程碑。在当今世界新技术革命浪潮中，材料、能源和信息被誉为文明的三大支柱。

航天材料有什么特点？

在众多材料中，航天材料的种类非常多。由于火箭、导弹和卫星的种类很多，它们各自的需求不同，因此所用的材料也是五花八门的，液体、固体、气体、黑色金属、有色金属、各种非金属、超塑材料、复合材料，多达数千种。但这么多的材料，选择起来的要求却非常苛刻。有些要求能抗高温、抗高压，如发动机推进剂药柱燃烧时会产生3000℃以上的高温，6Mpa的高压，瞬时产生2500℃的温差热冲击，这就要求发动机的材料具有耐高温、高压的性能。有的火箭使用液氢液氧作推进剂，这样火箭储存罐的材料就需要能够承受超低温，还要抗腐蚀、抗烧蚀。而象潜地导弹的选材则必须能够承受巨大的水下载荷，同时还要具有隐身性能好，抗干扰性强，可耐受恶劣环境等特点。

此外，对某些材料的细节要求也非常严格。如结构材料的微观结构、晶粒度、夹杂；功能材料的功能参数灵敏度；精密合金材料的导磁率、矫顽力、剩磁；电绝缘介质的电阻率、击穿强度、损耗、介电常数；微波复合材料的透泼性和吸收性；密封灌注材料的密封性；粘合剂的粘合强度等都有极细致的要求。

为什么要重视对航天材料的选用？

航天材料的选用需要非常慎重。一发火箭、导弹、卫星往往上亿元，如果选材不当造成发射失败，损失无法估量。1986年1月美国航天飞机挑战者号在进行第10次飞行时，右侧固体发动机后部连接处密封材料失效，液体外漏，导致升空73秒后爆炸。7名机组成员全部遇难。

美国某公司的一名技工曾把一枚废旧的铆钉装在航天飞机上，被发现后，这家公司被罚款一亿美元，而这名技工则被判了20年徒刑。

我国1991年12月28日发射的东方红2号甲通讯卫星就是因为一个小小的继电器中残留有金属屑而导致失效。

可见航天材料的选取是非常重要的。航天技术是复杂的系统工程，它应用现代科技众多领域的最新成就，是科学技术与国家基础工业紧密结合的产物。如果没有基础材料的慎重选取为基础，其它的一切努力都可能毁于一旦。前不久，哥伦比亚号航天飞机的惨剧再次提醒我们重视这一问题。

如何测试航天材料的性能？

为了确保航天材料的性能能够符合要求，我国航天部门曾专门下文件要求加强材料复验工作，为此还专门制订了金属材料和非金属材料两项复验标准，对生产厂家出厂合格的材料还要进行复验。除了常规的测试项目外，对有特殊要求的材料，还要研制特殊的设备进行测试。下面仅简述一下各种材料的测试方法：

结构用材料，其化学性能，如材料成份等在化学或光谱试验室用液相色谱法或红外光谱法进行测定；力学性能如冲击韧性、断裂韧性等在力学试验室用万能材料试验机测定；物理性能如断口形貌、微观组织等在金相试验室用显微镜等设备测定；用于航天器件控制的功能材料分别由各有关试验室测定，如软磁、硬磁、硅钢、电阻、双金属、膨胀等类材料在电磁试验室用电桥法、方圈法、冲击法、介质测量仪、LCR仪等方法测定；橡胶、密封、灌注、粘合、石油等有机材料用有机材料试验室相应设备测定；用于微波频段的材料如雷达天线罩等则要在微波试验室用网络分析仪在相应频段测试。以上试验大都有国家标准，特殊的有航天行业标准。但针对航天特殊环境和条件要求的材料，如超高温、超低温、高压、腐蚀等严酷条件，甚至模拟火箭发射火焰对材料的影响等条件下的测试，则需要研制一系列庞大的设备。反复多次地测试材料的承受能力，性能变化等情况，才能掌握材料的全面情况，确保航天事业的万无一失。

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