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1、第17卷第4期摩擦学学报Vol17,No41997年12月TRIBOLOGYDec,1997评述与进展(380～384)3空间摩擦学研究的前沿领域于德洋薛群基(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;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
2、或发展新的备用润滑剂和新技术,满足新的更高要求.关键词空间计划空间摩擦学空间机械润滑真空冷焊分类号V1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[1]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.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,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
3、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[2,3]间环境,对真空、失重、辐照和原子氧侵蚀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
4、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并防止真空冷焊.3国家自然科学基金资助项目ö1996204214收到初搞,1997206218收到修改稿ö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.第4期于德洋等:空间摩擦学研究的前沿领域3811.2.2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
5、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11m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
6、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5m),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
7、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[1]解决空间摩擦学问题的主要技术途径如图1所示.目前,已经得到应用的主要空间润滑技术有:①球轴承内外圈采用物理气相沉积(PVD)MoS2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),其应用面占现有空间机械用球轴承的90%以[1,4]上,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MoS2薄膜润滑的情况下,用自润滑复合材料[如聚四氟乙烯(PTF
