世界太空周---太空摩擦学

世界太空周---太空摩擦学

在太空探索的征途中，摩擦学扮演着至关重要的角色。从火箭发动机的涡轮泵到空间站的太阳能电池阵列，从望远镜的精密定位到探测器的表面移动，摩擦学的研究和应用确保了这些复杂设备在极端环境下的可靠运行。本文将深入探讨摩擦学在太空探索中的关键作用。

涡轮泵和万向节

作为最具标志性的火箭之一的土星五号，曾在阿波罗任务期间将宇航员送上月球，它有着巨大的发动机，称为F-1（仍然是有史以来最强大的火箭发动机！）土星五号F-1发动机中的涡轮泵肩负着将液氧和煤油（火箭的推进剂）输送到燃烧室的艰巨任务。

涡轮泵被要求在极大的热梯度、巨大的压力和惊人的转速下运行，这产生了一系列以摩擦学为中心的挑战。然而，它们的设计非常好，每秒可以可靠地将大约三吨燃料送入土星五号发动机。

此外，发动机本身安装在万向节轴承上，这使火箭能够引导推力，从而保持朝着正确的方向前进。这些需要像涡轮泵一样进行润滑——必须处理巨大的热梯度和压力，以及世界上最强大的火箭发射时的产生振动。

太阳能阵列驱动板

国际空间站大约每90分钟绕地球一周。为了持续为自己供电，国际空间站庞大的太阳能电池阵列驱动板必须不断跟踪太阳。负责这种跟踪的太阳能阵列驱动器在太空真空中面临摩擦学挑战，包括极冷、零重力环境，以及实际上的极热（在没有保护的阳光直射下，阳光直射下的温度可能超过130°C）。

朱诺号宇宙飞船就是一个很好的例子，说明了保持这些驱动器的适当润滑是多么重要。围绕木星运行，朱诺号的太阳能阵列驱动板在极其独特的条件下运行。“朱诺号”是距离地球最远的太阳能航天器，不得不在太阳光比地球上少25倍的地方运行。朱诺太阳能阵列驱动板必须绝对可靠，不断调整阵列以接收最大的阳光。摩擦学方面考虑就至关重要，确保朱诺号太阳能阵列驱动板自2011年以来一直在成功飞行以来，在木星附近一致保持最佳性能。

陀螺仪

哈勃太空望远镜围绕地球运行，提供了令人惊叹的宇宙图像，它使用陀螺仪来稳定和自我导航。2019年，哈勃望远镜的一个陀螺仪出现了问题，凸显了这些设备的重要性。这些陀螺仪内的轴承和润滑必须考虑周全，以确保像哈勃这样的望远镜能够准确定位并捕捉清晰的图像。

陀螺仪工作速度非常快，通常每分钟旋转8000到20000次左右，而且必须非常准确。这意味着帮助陀螺仪平稳旋转的轴承至关重要。例如，如果这些轴承摆动或过热，可能会使陀螺仪脱落，从而失去其基本位置。太空中的陀螺仪需要特殊类型的润滑剂，这些润滑剂不会很快磨损，不会产生很大的摩擦，也不会轻易蒸发。此外，陀螺仪的整个寿命周期只使用少量的这种油保持平稳和正常工作。

探测器和着陆器

“好奇号”和“毅力号”等火星探测器是摩擦学在外星上的示范性展示。“好奇号”自2012年以来一直在火星上漫游，它在太空中面临着许多严峻的挑战，包括广泛的环境条件。

在太空中，压力降低（真空）实际上导致润滑脂中的外溢，这一过程被称为排气的过程会造成润滑脂蒸发。这种情况会导致两个方面的问题。首先，油可能会被真空完全耗尽，只留下润滑脂的固体成分，并可能导致受保护的部件因缺乏适当润滑而失效。其次，蒸发的物质会沉积在航天器的不同部分，如光学仪器，污染它们，并可能导致它们出现故障或非正常运行。

太空中另一个令人担忧的问题是极冷的温度，可能低至-70°C！通常，在这种低温条件下，薄而轻的流体最适合作为润滑剂。然而，太空设备也可能面临非常高的温度，增强润滑剂的流动性，并使其更容易释放气体。因此，制造太空润滑剂需要一种平衡——它们需要在极端寒冷的条件下工作良好，同时在温暖的条件下不会转化为气体逃逸。

望远镜装置

詹姆斯·韦伯太空望远镜是哈勃望远镜的继任者，设计有一个复杂的反射镜系统。为了聚焦于遥远的星系和恒星系统，它的镜子需要微调。进行这些调整的部件在设计时考虑了摩擦学因素，以确保它们平稳移动，不会导致错位或引入振动而造成模糊图像。

牛顿第三定律告诉我们每一个动作都有一个力和相等反作用力，这是哈勃太空望远镜用来移动的原理。哈勃有四个由电脑控制的大轮子；当一个轮子向一个方向旋转时，望远镜就会向另一个方向移动。调整这些轮子的速度可以让哈勃指向天空中的任何地方。尽管这些轮子比汽车轮胎小，但在太空中它们可以移动巨大的望远镜，因为它们旋转得很快。这些轮子必须做好润滑，否则哈勃望远镜将无法移动！

这些真实的例子显示了摩擦学在太空探索和科学中的重要作用。太空任务对精度、可靠性和耐用性的要求表明了了解机械运行中的摩擦、磨损和润滑的巨大重要性。当我们庆祝太空成就时，值得记住的是其中复杂的细节，如摩擦学，使它们成为可能。

HPR是PCS Instruments公司研发生产的具有完全密封的压力腔室的摩擦磨损测试系统，其能够在高压或真空下运行。与以往的相比密封腔室能够直接准确控制气体氛围条件，高压或真空对摩擦学的影响研究可以更容易地进行快速可靠的重复。独特的可拆卸腔室设计可保持高压或真空环境，即使从系统中移除允许原位制备测试混合物。购买多个压力腔室可将测试转换时间减少到五分钟以下，允许用户创建相同批次混合物进行连续测试，而不需要很长的重置时间。

结合低成本标准试样件和很少的样品量，HPR是在高压和真空环境下测试燃料和润滑油摩擦磨损性能的一种快速、可靠而又廉价的方法。

应用：
1）挥发性燃料润滑性测试。
2）惰性气体研究（较小的腔室能够控制和改变测试流体）
3）低挥发性润滑剂在极低压力下的行为
4） 在受控气氛（如临氢）下进行润滑性研究。
5）制冷剂在高压下的行为。
6）受控环境下涂层表面形态和微观结构的研究
7）真空环境下润滑测试

应用案例：
以下为（1）丙烷和干燥空气切换研究和（2）反应性气体研究的结果
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