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自1957 年10 月4 日由前苏联发射第一颗
Spu tn ik21 卫星以来, 经过近半个世纪的努力, 人类在
航天领域取得了巨大成就, 其影响重大而深远. 我国
的航天事业起步于20 世纪60 年代, 从20 世纪80 年
代以后得到了迅速速发展, 2003 年10 月15 日, 神舟
五号载人航天飞船成功发射与回收标志着我国在航
天领域进入了一个全新的发展阶段. 目前, 我国已初
步形成了四大卫星系列—— 返回式遥感卫星系列、
“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列和
“实践”科学探测与技术试验卫星系列, 并研制发展了
长征系列运载火箭, 已继美国、俄罗斯和欧洲等国家
和地区之后成为航天强国之一.
火箭、卫星、飞船、空间实验室(站) 及星际探测器
等空间工业技术的发展要求解决一系列润滑科学与
技术问题. 空间工业技术领域的润滑问题通常涉及
高、低温, 氧化还原介质, 超高真空, 高比负荷, 高、低
速, 多次启、停, 辐射(紫外光、原子氧等) 等特殊工况,
要求润滑材料与技术具有高可靠性, 某些情况下(如
卫星和星际探测器等) 还要求具有超长寿命. 美国
NA SA 的研究表明[ 1 ] , 相当比例的空间机械部件的失
效同润滑问题有关. 润滑技术是保证空间运载工具和
飞行器安全可靠运行的关键技术之一; 空间润滑材料
与技术同航天工程的成败直接相关, 对有效载荷的使
用寿命具有重要影响, 世界有关国家在该领域的经验
和教训值得吸取.
《中国的航天》白皮书提出了“建立长期稳定运行
的卫星对地观测体系; 建立自主经营的卫星广播通信
系统; 建立自主的卫星导航定位系统; 全面提高中国
运载火箭的整体水平和能力; 实现载人航天飞行, 建
立初步配套的载人航天工程研制试验体系; 发展空间
科学, 开展深空探测”等发展规划[ 2 ]. 这为我国空间科
学技术的发展指明了方向. 为了适应我国空间科学技
术的发展需要, 有必要继续深入开展空间摩擦学的系
统研究, 不断探索和发展新的长寿命、高可靠性的润
滑材料与技术. 本文就该领域内的研究现状和进展进
行归纳总结.
1 空间摩擦学研究对象和内容
1. 1 空间摩擦学的研究对象
根据摩擦学的定义和空间技术的实际需求, 参考
美国及欧洲有关空间摩擦学的研究成果, 我们建议将
空间摩擦学定义为“研究空间运载和飞行器件相互接
触、相对运动表面的摩擦、磨损和润滑的科学及相关
技术”.
空间摩擦学的研究对象是各种航天器的各类运
动机构, 如姿态控制系统、电源系统、天线系统及运载
工具推进系统等的运动部件; 根据上述运动部件的工
作环境和运动工况开展相关的摩擦学行为、润滑材料
及润滑技术研究, 研究所涉及的运动部件主要包
括[ 3, 4 ]: 滚动轴承、滑动轴承、滚珠、滚轴ö辊、螺母ö丝
杠、线轴承、齿轮、滑动电接触件、分离件、凸轮、紧固
件、螺纹扣件、密封件及其它相对运动零部件如阀门
等. 根据润滑材料和技术要求, 结合实际工况, 上述部
件可以分别采用固体或液体润滑.
1. 2 空间摩擦学内容及其特殊性
空间摩擦学面临一系列的研究任务, 美国NA SA
和欧洲空间局(Eu ropean Space A gency, ESA ) 都拥有
专门从事空间摩擦学研究的机构. 概括而言, 空间摩
擦学需要解决如下科学与技术问题[ 5～ 8 ]: 空间机械摩
擦部件的选择、设计和性能, 空间机械润滑方式的选
择, 固体润滑、液体润滑技术, 摩擦部件用材料及表面
工程技术, 润滑材料的环境适应性(地面储存、发射、
空间环境和不同轨道高度) , 摩擦部件与运动机构性
能试验分析.
运载火箭运动部件如齿轮和涡轮等通常处于液
氢、液氧中, 并在超高速和重载下运行, 相应的润滑技
术要求很高. 为了简化卫星和飞船等的设计和减轻重
量, 通常需要采用特殊的润滑设计. 鉴于空间机械具
有无备份运动件和不可维修的特点, 故同时要求相应
的润滑材料和润滑技术具有高可靠性和长寿命.
2 我国空间摩擦学研究现状
我国从事空间技术研究的有关院所和高等院校
针对液体火箭和各类卫星及“神舟”飞船对润滑材料
与技术的需求, 在空间摩擦学领域开展了卓有成效的
研究工作, 解决了一系列相关的润滑问题, 实现了工
程应用从无到有的突破[ 9 ]. 在液体润滑方面, 设计合
成了宽液体温度范围、低挥发及润滑性能较好的氯苯
基硅油; 发展了空间用矿物油基和硅油基润滑脂及润
滑膏, 该类润滑脂及润滑膏已在多种系列卫星的运动
部件上获得应用, 成为目前我国有代表性的空间用润
滑油脂.
为了设计和发展具有更高性能并适用于多种摩
擦配副的合成润滑剂, 我们开展了含磷嗪环的芳基氟
代大分子润滑剂、超低蒸气压耐高温四氟硼酸盐咪唑
离子液体化合物和六氟磷酸盐离子液体[ 10～ 12 ]、烷基
取代环戊烷等新型空间用润滑剂的设计、合成和性能
研究工作. 目前, 有关这些新型有机化合物的摩擦学
研究仍有待于深入和完善. 我们预期, 其中部分化合
物作为潜在的高性能润滑剂可望成功地用于解决某
些空间部件的润滑问题. 图1 示出了空间用氯苯基硅
油的分子结构。
图1 空间用氯苯基硅油的分子结构
在固体润滑方面, 我们结合近年来薄膜材料科学
与技术领域复合化、多层化以及纳米化的发展趋势,
开展了以MoS2 和软金属等为主的多组分复合薄膜
材料、多层金属薄膜材料以及纳米结构复合薄膜材料
的制备科学与技术研究, 重点考察了薄膜组成及配伍
特性对其摩擦磨损性能的影响规律, 探讨了纳米复合
和纳米多层复合对薄膜摩擦学性能的影响, 发展了多
种固体润滑薄膜材料和粘结固体润滑涂层材料. 所研
制的多种薄膜材料已成功地应用于多种空间运动部
件, 使用效果良好.
与此同时, 我们结合相关的材料科学研究成果,
发展了多种聚合物基和金属基自润滑材料, 如卫星用
聚四氟乙烯(PTFE) 基和聚酰亚胺基轴承保持架材
料[ 13 ] , 耐高、低温, 与氢气相容, 具有高比强度和超高
极限p v 值的耐磨自润滑火箭气动机叶片材料, 以及
金属基抗磨滑动轴承材料和贵金属基电触点材料
等[ 13 ]. 上述复合材料均已成功地应用于多种型号航
天装置相关运动部件的润滑.
值得注意的是, 尽管我国在空间摩擦学领域特别
是空间润滑材料领域已经取得了长足进展, 获得了一
批重要研究成果, 但同发达国家相比仍然存在较大差
距. 目前, 空间摩擦学在美国和欧洲等国家和地区已
成为相对独立的学科, 初步具备了系统、全面等特点,
相关专著和工程手册在国际上引起了广泛关注. 而由
于缺乏系统研究, 我国的空间摩擦学应用研究明显滞
后于我国航天事业发展的需要, 相应的摩擦学设计难
以与机械设计同步进行, 更没有建立起需求设计、实
验分析和生产使用等相关规范; 与此同时, 我国大量
空间技术人员往往将空间摩擦磨损与润滑简单地视
作一门技术, 致使空间摩擦学领域的研究受制于分
散、孤立和经验主义等窠臼, 在一定程度上影响了我
国航天技术的发展. 可以认为, 我国空间摩擦学面临
着机遇和挑战
3 我国空间摩擦学的机遇和挑战
我国在空间摩擦学领域已有40 多年的积累, 相
关研究成果为解决某些运载工具和空间飞行器的润
滑问题起到了关键作用. 随着我国航天事业的进一步
发展, 特别是探月及空间实验室等计划的启动, 运载
工具的可重复使用和应用型卫星的超长寿命等日益
成为空间摩擦学研究者关注的焦点, 这也为我国空间
摩擦学的发展带来了前所未有的重大机遇. 我们认
为, 在今后相当长的一段时期内, 应当重点对高承载、
长寿命固体润滑材料及其相关技术研究, 高性能液体
润滑剂的设计和制备研究, 固体2油脂混合润滑技术
研究, 空间摩擦学研究系统设计及试验规范等几方面
组织重点攻关, 以期尽早取得重大突破.
鉴于空间机械工作环境的特殊性以及我国国情
与国力, 固体润滑材料及相关技术的研究仍将是空间
摩擦学研究的重点. 在现有工作基础上, 应当针对我
国中长期航天发展需要, 系统开展典型工况条件下空
间机械运动部件的摩擦学研究, 发展高承载、长寿命
固体自润滑薄膜ö涂层材料、固体自润滑聚合物及金
属基自润滑复合材料与相关润滑技术.
美国NA SA 和欧洲ESA 等针对空间技术所需
良好润滑性能、宽液体温度范围、低挥发、高粘度指
数、极压抗磨高性能润滑剂要求, 先后设计发展了超
精制矿物油、聚A2烯烃(PAO s)、全氟聚醚{PFPE, 如
Krytox: C3F7O [CF (CF3 ) CF2O ]xC2F5、Fom b lim Z:
CF3O (CF2CF2O ) x (CF2O ) yCF3}及多烷基化环戊烷
(MACs, 如二辛基十二烷基环戊烷—— PennzaneTM
SHF2X2000) , 全面系统地研究了润滑剂的分子结构
与性能的关系, 研究了摩擦配副及运动条件等对润滑
剂性能和失效破坏的影响, 建立了针对多种润滑剂的
数据库[ 4, 13 ].
我国以往在空间液体润滑领域未形成专门投入,
主要通过借鉴航空润滑剂而选用精制矿物油和氯苯
基硅油作为空间润滑剂, 选择余地有限、润滑剂性能
还有待于提高. 借鉴国外先进经验, 我们建议开展高、
低表面能, 超低蒸气压, 高、低温性能优良, 宽液体温
度范围的新型抗磨液体润滑剂的合成及其分子结构
与性能相关性的系统研究, 以便为开发新一代高性能
空间润滑剂提供实验依据和理论指导.
为了发展长寿命高可靠性空间应用系统, 建议开
展具有良好应用前景的固体2油脂复合润滑材料研
究; 探讨提高固体润滑2油脂复合润滑体系可靠性与
润滑寿命的技术方法.
开展空间摩擦学研究必需建立相关的研究系统,
包括设计建立大尺寸空间、超高真空(10- 7 Pa) 材料
摩擦学性能评价系统, 并赋予系统高、低温(- 196～
300 ℃) , 高、低速, 射线辐照(离子束、原子氧和紫外
光) 等空间条件模拟试验功能. 探讨地基试验与空间
运动部件实际润滑效果及寿命的相关性, 建立空间润
滑材料与技术的试验和使用规范.
结合相关文献, 我们认为, 以下几方面的空间摩
擦学研究课题具有相当强的挑战性: ① 空间运载工
具用超高速、重载下润滑材料的制备科学, 运动部件
在液氢、液氧及双氧水等强氧化还原介质中的摩擦学
行为及损伤破坏机制; ② 空间机械用超低摩擦、低摩
擦噪声、长寿命及高可靠性固体润滑薄膜的制备科学
与技术研究, 以及材料的摩擦学行为研究, 超高真空
下材料之间的冷焊防护及防粘着; ③ 超低挥发、宽液
体温度范围(如- 75～ 300 ℃) 下使用的液体润滑剂
的设计合成及其润滑和抗磨机理; ④ 月球环境中使
用的润滑剂的设计合成及其润滑和抗磨机理; ⑤ 强
辐射(紫外光和原子氧等) , 高、低温交变作用下润滑
防护材料的摩擦磨损性能变化规律, 材料破坏机制与
防护技术, 微重力条件下液体润滑剂的润湿、爬行、流
动及润滑行为; ⑥ 提高运动部件可靠性和使用寿命
的表面ö界面科学与技术; ⑦ 与真实空间运动部件性
能关联性良好的地基模拟试验设施与试验规范的建
立.
