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月球表面极端环境下的航天器材料性能退化分析1

月球表面极端环境下的航天器材料性能退化分析

摘要

本报告系统分析了月球表面极端环境下航天器材料性能退化的机理、影响因素及

应对策略。月球表面具有高真空、强辐射、极端温差、微流星体撞击等复杂环境特征，

对航天器材料性能构成严峻挑战。报告通过理论分析、实验模拟和数值计算相结合的方

法，建立了材料性能退化预测模型，提出了新型防护材料体系设计方案。研究表明，传

统航天材料在月球环境下服役寿命将缩短30%50%，而采用纳米增强复合材料和智能自

修复涂层可显著提升材料耐久性。报告为我国月球基地建设和长期探测任务提供了重

要的技术支撑和决策依据。

引言与背景

1.1研究背景与意义

随着我国探月工程的深入推进，月球基地建设和长期驻留已成为国家航天战略的

重要目标。根据《国家航天发展”十四五”规划》，我国计划在2030年前建立月球科研站

基本型，实现航天员短期驻留。这一宏伟目标的实现，迫切需要解决月球表面极端环境

下航天器材料的长期服役可靠性问题。

月球表面环境与地球近地轨道存在显著差异，其高真空（10ˆ10Pa）、强辐射（太阳

宇宙射线、银河宇宙射线）、极端温差（180℃至+130℃）、月尘（粒径1100ffim）和微流

星体撞击（速度1072km/s）等复合因素，将导致航天器材料发生加速退化。据NASA

统计，阿波罗任务期间暴露在月表的聚合物材料在14天内力学性能下降超过40%，而

金属材料的疲劳寿命缩短达60%。

开展月球表面材料性能退化研究，不仅关系到航天器安全运行和任务成功率，更直

接影响月球基地的建设成本和可持续性。研究表明，通过优化材料设计和防护技术，可

使航天器在月表服役寿命延长23倍，单次任务维护成本降低约35%。因此，本项研究

具有重大的科学价值和工程应用前景。

1.2国内外研究现状

美国、俄罗斯和欧洲航天局等航天强国早在20世纪60年代就开始关注月表材料

退化问题。阿波罗任务带回的月尘样本分析表明，其锋利边缘和静电吸附特性对航天器

表面造成严重磨损。近年来，NASA的”月球勘测轨道器”（LRO）通过长期观测，建立

了月表环境参数数据库，为材料退化研究提供了基础数据支持。

国内研究起步较晚但发展迅速。中国科学院材料研究所2018年建立了月表环境模

拟装置，可模拟真空、辐射和温度循环等复合环境。哈尔滨工业大学团队2020年开发

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了月尘摩擦磨损测试系统，首次量化了月尘对典型航天材料的损伤效应。然而，现有研

究多集中于单一环境因素影响，缺乏多因素耦合作用下的材料退化机理分析。

当前研究存在三个主要技术瓶颈：一是月表环境参数的长期观测数据不足；二是多

场耦合作用下材料退化机理不明确；三是缺乏有效的材料性能退化预测模型。本报告将

针对这些问题开展系统性研究，填补国内相关领域空白。

1.3研究目标与内容

本研究的总体目标是建立月球表面极端环境下航天器材料性能退化的理论分析框

架，开发高可靠性防护材料体系，为月球基地建设提供技术支撑。具体包括四个子目标：

1.建立月表环境参数数据库，量化各环境因素的时空分布特征；

2.揭示多因素耦合作用下材料退化机理，建立微观损伤演化模型；

3.开发材料性能退化预测方法，实现服役寿命准确评估；

4.设计新型防护材料体系，提升材料月表环境适应性。

研究内容涵盖五个方面：月表环境特征分析、材料退化机理研究、性能退化预测模

型开发、防护材料体系设计、实验验证与优化。通过理论分析、数值模拟和实验验证相

结合的研究方法，形成从基础机理到工程应用的完整技术链条。

研究概述

2.1研究范围界定

本研究聚焦于月球表面航天器材料在极端环境下的性能退化问题，研究范围包括

材料类型、环境因素和性能指标三个维度。材料类型涵盖金属（铝合金、钛合金）、聚合

物（聚酰亚胺、环氧树脂）和复合材料（碳纤维增强树脂基复合材料）；环境因素包括

真空、辐射、温度循环、月尘和微流星体撞击；性能指标重点关注力学性能（强度、韧

性）、物理性能（热导率、电导率）和表面特性（摩擦系数、光学反射率）。

研究时间尺度为短期（1个月）、中期（1年）和长期